چرا فولاد با محتوای کربن بیشتر مستعد شکستگی است؟

فولاد نقش مهمی در بخش صنعتی ایفا می کند و به طور گسترده در صنایع متعددی از جمله ساخت و ساز، ماشین سازی، خودروسازی و هوافضا استفاده می شود. به عنوان یکی از مهمترین عناصر آلیاژی در فولاد، محتوای کربن تأثیر عمیقی بر خواص آن دارد. در کاربردهای عملی، ما دریافتیم که فولاد با محتوای کربن بالا اغلب مستعد شکستگی است، که نه تنها بر کیفیت و قابلیت اطمینان محصول تأثیر می گذارد، بلکه می تواند منجر به حوادث ایمنی جدی شود. بنابراین،{3}}تحقیق عمیق در مورد دلایلی که چرا فولاد کربن پر-در معرض شکستگی قرار دارد، از نظر نظری و عملی اهمیت زیادی دارد.

 

 

اشکال کربن در فولاد و تاثیر آن بر ریزساختار

 

1. اشکال کربن

 

در فولاد، کربن عمدتاً به صورت محلول‌های جامد بینابینی و کاربیدها وجود دارد. هنگامی که محتوای کربن کم است، بیشتر اتم های کربن در شبکه آهن به عنوان محلول های جامد بین بافتی حل می شوند. با افزایش محتوای کربن، اتم‌های کربن اضافی با آهن و سایر عناصر آلیاژی واکنش داده و کاربیدهای مختلفی مانند سمنتیت (Fe3C) را تشکیل می‌دهند.

 

2. تاثیر بر ریزساختار

 

تغییرات در محتوای کربن به طور قابل توجهی ریزساختار فولاد را تغییر می دهد. در فولادهای کم آلیاژ-، با افزایش محتوای کربن، محتوای پرلیت در ساختار تعادل دمای اتاق-به تدریج افزایش می‌یابد، در حالی که محتوای فریت کاهش می‌یابد. پرلیت یک ساختار یوتکتوئیدی لایه ای است که از فریت و سمنتیت متناوب تشکیل شده است. همانطور که محتوای کربن بیشتر می شود و از ترکیب یوتکتوئیدی فراتر می رود، سمنتیت ثانویه در ساختار فولاد ظاهر می شود و مقدار آن با افزایش محتوای کربن افزایش می یابد.

 

سمنتیت یک فاز سخت و شکننده است و وجود آن تغییر شکل فولاد را محدود می کند. هنگامی که فولاد در معرض نیروهای خارجی قرار می گیرد، فاز فریت می تواند برای جذب انرژی دچار تغییر شکل پلاستیکی شود، در حالی که فاز سمنتیت کمتر مستعد تغییر شکل است. با افزایش محتوای کربن، میزان سمنتیت در فولاد افزایش یافته و توزیع آن تغییر می کند. این امر تداوم ماتریس فریت را مختل می کند و باعث می شود زمانی که فولاد تحت تنش قرار می گیرد تمرکز تنش بیشتر شود و در نتیجه شرایطی را برای شروع و انتشار ترک ایجاد می کند.

 

اثر محتوای کربن بر خواص مکانیکی فولاد

 

1. تغییر در استحکام و سختی

 

به طور کلی، استحکام و سختی فولاد با افزایش محتوای کربن افزایش می یابد. این به دلیل اثر تقویت کننده محلول جامد اتم های کربن و اثر تقویت کننده پراکندگی کاربیدها است. محلول جامد بینابینی اتم‌های کربن در شبکه آهن باعث ایجاد اعوجاج شبکه می‌شود و مانع حرکت نابجایی و در نتیجه افزایش استحکام فولاد می‌شود. به طور همزمان، توزیع پراکنده ذرات کاربید در ماتریس به طور موثر از لغزش نابجایی جلوگیری می کند و استحکام و سختی فولاد را بیشتر می کند.

 

2. کاهش پلاستیک و چقرمگی

 

با این حال، در حالی که استحکام و سختی افزایش می یابد، انعطاف پذیری و چقرمگی فولاد با افزایش محتوای کربن به طور قابل توجهی کاهش می یابد. پلاستیسیته به توانایی یک ماده برای تغییر شکل دائمی بدون شکست تحت بار اشاره دارد، در حالی که چقرمگی نشان دهنده توانایی آن در جذب انرژی قبل از شکست است. مقدار زیاد فاز سمنتیت در فولاد کربن بالا، تغییر شکل پلاستیک یکنواخت تحت بار را برای فولاد دشوار می کند. هنگامی که در معرض نیروهای خارجی قرار می گیرد، تنش تمایل دارد در سطح مشترک بین سمنتیت و فریت متمرکز شود، که باعث می شود تنش در این ناحیه از استحکام پیوند فراتر رود و در نتیجه باعث ایجاد ترک می شود.

 

از منظر چقرمگی شکست، فولاد{0}کربن بالا دارای چقرمگی شکست پایین است. چقرمگی شکست توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر انتشار ترک است و ارتباط نزدیکی با ریزساختار و ترکیب آن دارد. فاز سمنتیت سخت و شکننده در فولاد کربن بالا و همچنین عیوب ساختاری احتمالی مانند جداسازی کاربید، چقرمگی شکست فولاد را کاهش می‌دهد. هنگامی که یک ترک در فولاد ایجاد می شود، تنش زیاد در نوک ترک به سرعت فازهای سخت و شکننده اطراف را پاره می کند و منجر به انتشار سریع ترک و در نهایت شکستگی می شود.

 

مکانیسم شکست فولاد{0}کربن بالا

 

1. شروع کرک

 

در فولاد کربن بالا، به دلیل وجود سمنتیت و ناهمگونی ساختاری آن، ترک‌ها در مکان‌های زیر مستعد ایجاد ترک هستند: اول، در سطح مشترک بین سمنتیت و فریت. با توجه به تفاوت قابل توجه در خواص مکانیکی بین دو فاز، تمرکز تنش به راحتی در این فصل مشترک زمانی که تحت تنش قرار می گیرد رخ می دهد. هنگامی که تنش از استحکام پیوند سطح مشترک فراتر رود، ریزترک ها تشکیل می شوند. دوم، در مناطق جداسازی کاربید. جداسازی کاربید باعث ایجاد نواحی موضعی با ترکیب و ساختار متفاوت از ماتریکس اطراف می شود و مناطق ضعیف ایجاد می کند. تحت نیروهای خارجی، این مناطق ضعیف به راحتی به نقاط شروع ترک تبدیل می شوند.

 

2. انتشار ترک

 

هنگامی که یک ترک شروع می شود، به سرعت تحت استرس منتشر می شود. چقرمگی کم فولاد{1}}پر کربن، مقاومت در برابر انتشار ترک را کاهش می دهد. در هنگام انتشار ترک با فاز سمنتیت سخت و شکننده مواجه می شود. ترک ممکن است در امتداد سطح مشترک بین سمنتیت و فریت یا مستقیماً از طریق فاز سمنتیت منتشر شود. به دلیل شکنندگی فاز سمنتیت، ترک نیازی به انرژی بیش از حد برای انتشار در آن ندارد و در نتیجه ترک سریع رشد می کند.

 

3. شکستگی نهایی

 

هنگامی که یک ترک به اندازه معینی رشد می کند، ناحیه تحمل بار موثر فولاد به طور چشمگیری کاهش می یابد و قسمت باقی مانده قادر به تحمل بار اعمال شده نیست و در نهایت منجر به شکستگی می شود. این فرآیند شکست در فولاد{2}}پر کربن اغلب سریع است و در دسته شکستگی‌های شکننده قرار می‌گیرد.

 

مطالعات موردی شکستگی{0}فولاد کربنی بالا در کاربردهای عملی

 

1. ساخت ابزار

 

در تولید ابزار، فولاد کربن بالا اغلب برای لبه های برش استفاده می شود زیرا سختی و استحکام بالای آن لبه تیز را حفظ می کند. با این حال، در حین استفاده واقعی، ابزارها ممکن است ناگهان بشکنند. این به این دلیل است که ابزار برش در طول فرآیند برش در معرض نیروهای برش و ضربه متناوب قرار می گیرد. چقرمگی کم فولاد کربن{4}بالا آن را مستعد ایجاد ترک در لبه برش یا عیوب داخلی در صورت ضربه شدید می کند. سپس این ترک ها به سرعت منتشر می شوند و منجر به شکستگی می شوند.

 

2. تولید فنر

 

فنرها به حد الاستیک بالا و مقاومت در برابر خستگی نیاز دارند. اگرچه فولاد کربن{1}بالا دارای استحکام بالایی است، عدم انعطاف پذیری و چقرمگی آن در طول خمش یا کشش مکرر می تواند منجر به شکستگی در نقاط تمرکز تنش شود. به عنوان مثال، فنرهای تعلیق خودرو، در معرض ضربه جاده و لرزش خودرو در دوره های طولانی استفاده، مستعد ترک خوردن ناشی از خستگی و در نهایت شکستگی هستند و ایمنی رانندگی را به خطر می اندازند.

 

اقداماتی برای بهبود مستعد شکست فولاد-پر کربن

 

1. آلیاژسازی

 

ریزساختار و خواص فولاد{0}پر کربن را می توان با افزودن عناصر آلیاژی مانند کروم، مولیبدن و وانادیم بهبود بخشید. این عناصر آلیاژی با کربن واکنش می دهند تا کاربیدهای پایدارتری را تشکیل دهند و مورفولوژی و توزیع کاربیدها را اصلاح کرده و اثرات نامطلوب سمنتیت را کاهش دهند. به عنوان مثال، کروم کاربیدهای کروم ریز پراکنده را تشکیل می دهد و تعادل بین استحکام و چقرمگی را بهبود می بخشد.

 

2. بهینه سازی فرآیند عملیات حرارتی

 

یک فرآیند عملیات حرارتی معقول می‌تواند ریزساختار فولاد{0}پر کربن را تنظیم کند و عملکرد کلی آن را بهبود بخشد. به عنوان مثال، آسمپرینگ می‌تواند ساختار بینیتی ایجاد کند که دارای تعادل عالی از استحکام و چقرمگی است و مقاومت در برابر شکست فولاد کربن بالا را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، تمپر می‌تواند تنش‌های فرونشاننده را از بین ببرد و سختی و چقرمگی فولاد را تنظیم کند.

 

3. کنترل جداسازی کاربید

 

در طول فرآیندهای فولادسازی و ریخته گری، می توان اقداماتی را برای کنترل جداسازی کاربید انجام داد. برای مثال، هم زدن الکترومغناطیسی و بهینه‌سازی فرآیند ریخته‌گری پیوسته می‌تواند به توزیع یکنواخت‌تر کاربیدها در فولاد دست یابد و تجمع کاربید موضعی و در نتیجه احتمال شروع ترک را کاهش دهد.

 

نتیجه گیری

 

دلیل اصلی اینکه فولاد کربن{0}بالا مستعد شکست است این است که افزایش محتوای کربن ریزساختار فولاد را تغییر می‌دهد و منجر به افزایش فاز سمنتیت سخت و شکننده و کاهش انعطاف‌پذیری و چقرمگی فولاد می‌شود. هنگامی که در معرض تنش قرار می گیرد،{2}}فولاد با کربن بالا مستعد ایجاد ترک در سطح مشترک بین سمنتیت و فریت یا در مناطق جداسازی کاربید است. به دلیل چقرمگی کم، ترک ها به سرعت منبسط می شوند و در نهایت باعث شکستن فولاد می شوند. در کاربردهای عملی، مشکل شکست فولاد-با کربن بالا در بسیاری از زمینه‌های مهندسی یک خطر ایمنی ایجاد می‌کند. از طریق اقداماتی مانند آلیاژسازی، بهینه‌سازی فرآیندهای عملیات حرارتی، و کنترل جداسازی کاربید، می‌توان تمایل به شکست فولاد کربن بالا را تا حدودی بهبود بخشید و در نتیجه عملکرد کلی آن را افزایش داد. در تحقیقات مواد و کاربردهای مهندسی آتی، به تحقیقات عمیق‌تر-در مورد مکانیسم شکست فولاد{10}بالا{10}کربن نیاز است، و اقدامات بهبود مؤثرتری باید برای برآوردن الزامات عملکرد بالاتر فولاد در زمینه‌های مختلف مهندسی ایجاد شود.