نقش عناصر آلیاژی

آلومینیوم (Aluminium)

آلومینیوم قویترین و متداولترین حذف کننده اکسیژن و نیتروژن است. بنابراین اتر مطلوبی بر روی حساسیت در برابر پیر شدن داشته و در مقادیر کم باعت ریز شدن دانه ها در فولاد می گردد. چنانچه تشکیل کاربیدهای خیلی سخت بوسیله ترکیب آلومینیوم با نیتروژن مد نظر باشد از آن بعنوان عنصر آلیاژی در فولاد های نیترید شوند استفاده میشود. آلومینیوم مقاومت در برابر پوسته شدن را افزایش میدهد و بنابراین اغلب به فولادهای فریتی مقاوم به حرارت اضافه میشود. در فولاد های ساده کربنی نفوذ  آلومینیوم به سطح، مقاومت در برابر پوسته شدن را افزایش می دهد. آلومینیوم منطقه پایداری آستنیت (ү) را بشدت کوچک می نماید. به دلیل افزایش نیروهای پسماند داخلی، آلومینیوم بعنوان ترکیب آلیاژی در آلیاژهای مغناطیسی دائمی آهن-نیکل-کبالت-آلومینیوم استفاده میشود.

اکسیژن (Oxygen)

اکسیژن دارای تاثیرات معکوس در فولاد ها میباشد. اثر ویژه آن در فولادها بستگی زیادی به نوع و آنالیز ترکیبات آن از نظر شکل و توزیع دارد. خواص مکانیکی بویژه مقاومت به ضربه، خصوصاً در جهات عرضی کاهش می یابند، در حالیکه حساسیت به تردی در اثر پیر شدن، ترک سرخ و شکست فیبری (شکستن ترد و خفیف و غیر بلوری که بعلت دراز شدن دانه های مجزا، مثلاً وجود سرباره در آهن کار شده بوجود می آید) افزایش می یابد.

بور (Boron)

بخاطر جذب شدید نوترون توسط بور معمولاً آنرا به فولاد های مورد استفاده در تولید کنترلرها و صفحات واحدهای انژی اتمی اضافه می کنند. در فولادهای زنگ نزن آستنیتی Ni-Cr  ۱۸-۸ اضافه شدن بور سبب افزایش استحکام کششی و تنش تسلیم فولاد در حین سختکاری رسوبی شده در حالیکه همزمان مقاومت خوردگی را کاهش میدهد. رسوب ایجاد شده بوسیله بور سبب بهبود خواص مکانیکی فولادهای آستنیتی مقاوم به خزش در درجه حرارت های بالا خواهد شد در فولادهای آلیاژی بوردار قابلیت جوش پذیری کاهش می یابد.

تنگستن (Tungsten)

تنگستن یک کاربید زای قوی است (کاربیدهای تنگستن بسیار قوی هستند) و منطقه پایداری فاز آستنیت (ү) را محدود می نماید و علاوه بر بهبود مقاومت به ضربه، مانع از رشد دانه ها می شود. تنگستن استحکام کششی و پایداری سختی در درجه حرارتهای بالا را افزایش می دهد و به همان نسبت نیز مقاومت سایشی در دمای بالا (دمای سرخ) و بالطبع راندمان برش را افزایش میدهد. بنابراین به طور عمده به فولادهای تندبر، ابزار گرمکار و فولاد های مقاوم به حرارت اضافه می شود. تنگستن بطور فزاینده ای نیروهای پسماند داخلی را افزایش میدهد، بنابراین بعنوان عنصر آلیاژی اصلی در آلیاژهای مغناطیسی دائم کاربرد دارد. تنگستن مقاومت در برابر پوسته شدن را از بین میبرد. وزن مخصوص بالای این عنصر بویژه در فولاد های تندبر با تنگستن بالا و فولاد های ابزاری گرم کار قابل توجه است.

سرب (Lead)

سرب اضافه شده در مقادیر ۰٫۲ تا ۰٫۵ درصد به فولادهای خوش تراش بخاطر توزیع یکنواخت ذرات بسیار ریز نامحلول سبب ایجاد براده های ریز و سطح برش تمیز میگردد که این مسئله فابلیت ماشینکاری فولاد را بهبود می بخشد. سرب در مقادیر %( ۰٫۳۵- ۰٫۱۵ ) عملاً تاثیری بر خواص مکانیکی ندارد.

کبالت (Cobalt)

کبالت تشکیل دهنده کاربید نیست اما از رشد دانه ها در درجه حرارتهای بالا ممانعت نموده و سبب بهبود پایداری سختی و استحکام در درجه حرارت های بالا می شود. بنابراین اغلب به عنوان عنصر آلیاژی در فولادهای تندبر، ابزار گرمکار و فولادهای مقاوم به خزش و درجه حرارت بالا استفاده میشود. این عنصر تشکیل گرافیت را تسریع می کند. هنگامیکه کبالت در معرض اشعه نوترونی قرار گیرد ایزوتوپ ۶۰Co که فوق العاده رادیو اکتیو است ایجاد می شود. به همین دلیل بعنوان عنصر نا مطلوب در فولادهای مورد استفاده در راکتورهای اتمی به شمار می رود.

کربن (Carbon)

کربن یک عنصر جدا نشدنی از فولاد است و بنابراین معمولاً بعنوان عنصر آلیاژی تعریف نمی شود. کربن مهمترین عنصر برای بیشتر فولادها بوده و دارای قویترین اثر بر خواص آنها میباشد. خواص فولاد های آلیاژی و غیر آلیاژی با تغییر محتوای کربن (از چند صدم در صد تا دو درصد) و عملیات حرارتی مناسب، در یک رنج وسیع متفاوت خواهد بود. استحکام و سختی پذیری با افزایش درصد کربن افزایش یافته در حالیکه مقادیر تغییر طول نسبی، خواص شکل دهی و قابلیت جوشکاری و ماشینکاری کاهش می یابد.

کروم (Chromium)

کروم قابلیت سخت شدن فولاد در هوا و روغن را افزایش میدهد. کروم با پائین آوردن سرعت سرد شدن بحرانی تشکیل مارتنزیت، سختی پذیری را افزلیش داده و بنابراین سبب بهبود حساسیتهای سختکاری و باز پخت می شود، در حالیکه همزمان استحکام ضربه را کاهش میدهد. کروم یک کاربید زای قوی میباشد، کاربید های کروم مقاومت لبه های قطعه و مقاومت سایشی را افزایش میدهند. با افزودن کروم استحکام در دمای بالا و مقاومت نسبت به ئیدروژن در فشار بالا بهبود میابد. مقاومت در برابر تشکیل پوسته با افزایش محتوای کروم افزایش میابد در حالیکه حداقل ۱۳% کروم نامحلول در زمینه برای ایجاد مقاومت خوردگی فولاد لازم است. کروم منطقه پایداری فاز آستنیت (ү) را کوچک و بنابراین منطقه فریت افزایش می یابد با این وجود در فولادهای Cr Mn یا Cr Ni منطقه آستنیت را پایدار می سازد و موجب کاهش هدایت حرارتی ، الکتریکی و ا نبساط حرارتی می شود.

مس (Copper)

مس فقط به چند گرید فولاد اضافه می شود چون با تشکیل لایه اکسیدی داخلی در هنگام شکل دادن گرم با نفوذ به مرز دانه ها حساسیت سطحی شدید ایجاد میکند. بنابر این وجود مس در بیشتر فولادها زیان آور است. تنش تسلیم و نسبت تنش تسلیم به استحکام کششی بوسیله مس افزایش می یابد، مقادیر مس بالای % ۰٫۳ ممکن است سبب ایجاد سختی رسوبی شده و سختی پذیری بهبود میابد. در فولاد های کم آلیاژ و غیر آلیاژی با افزودن مس بهبود مشخصی در مقاومت به سایشی ایجاد می شود. در فولادهای پر آلیاژ با افزایش مس تا  ۱% مقاومت خوردگی فولاد در برابر اسید کلریدریک و اسید سولفوریک افزایش می یابد.

مولیبدن (Molybdenum)

مولیبدن عمدتاً همراه با سایر عناصر آلیاژی به فولاد اضافه می شود. بعد از کربن، مولیبدن فعالترین عنصر برای سخت کردن است. مولیبدن با کاهش سرعت سرد شدن بحرانی سبب بهبود سختی پذیری فولاد می گردد. مولیبدن تردی تمپر را کاهش می دهد و همچنین سبب ریز شدن دانه های فولاد میگردد که مثال آن فولادهای Cr-Ni و فولادهای منگنزدار می باشد. این عنصر تنش تسلیم و استحکام کششی را افزایش میدهد و بخاطر کاربید زدائی قوی راندمان برش فولاد های تند بر را افزایش می دهد. مولیبدن از دسته عناصری است که مقاومت خورد گی فولاد را افزایش میدهد و بنابر این اغلب به عنوان عنصر آلیاژی اصلی در فولاد های پر آلیاژ کروم دار و فولاد های آستنیتی کرم نیکل مورد استفاده قرار میگیرد. مقادیر زیاد مولیبدن سبب کاهش حساسیت فولاد نسبت به خوردگی حفره ای (Pitting) میشود، همچنین مولیبدن منطقه پایداری آستنیت (ү) را کوچک نموده و استحکام در درجه حرارت های بالا را افزایش و مقاومت در برابر تشکیل پوسته را کاهش می دهد. از ویژگیهای مهم مولیبدن کاهش شکنندگی بازگشت فولاد های کرم نیکل است.

منگنز (Manganese)

منگنز دارای اثر اکسیژن زدائی است و در ترکیب با گوگرد تشکیل سولفیدهای منگنز داده و بنابر این اثر نا مطلوب سولفیدهای آهن را کاهش میدهد. این خاصیت ویژه در فولاد های خوش تراش سبب کاهش خطر ترک سرخ می شود. منگز نقاط Ar1 و Ar3 را پائین آورده و سرعت سرد کردن بحرانی را کاهش می دهد. بنابراین سختی پذیری افزایش میابد. مقادیر منگنز بالاتر از ۴% حتی در هنگام سرد کردن با سرعتهای کم سبب ایجاد ساختار مارتنزیتی ترد می شود. فولاد های شامل بیش از ۱۲% منگنز و با میزان کربن بالا در گروه فولادهای آستنیتی هستند چون منگنز به مقدار قابل ملاحظه ای منطقه پایداری آستنیت (ү ) را افزایش می دهد، چنین فولادهائی هنگامیکه تحت تنش های ضربه ای قرار میگیرند، در اثر کرنشهای شدید دچار سختی سطحی (کار سخت) می شوند در حالیکه مغز آنها نرم باقی میماند. بنابراین مقاومت سایشی زیادی در مقابل تنشهای ضربه ای دارند.فولادهای با محتوای منگنز بالاتر از ۱۸% حتی پس از شکل دهی سرد غیر مغناطیسی باقی می مانند و بعنوان فولادهای مخصوص و فولادهای مناسب برای سرویس دهی در درجه حرارتهای پائین توصیه می شود. منگنز ضریب انبساط حرارتی را افزایش می دهد، در حالیکه هدایت الکتریکی و حرارتی را کاهش می دهد.

نیکل (Nickel)

نیکل در فولاد های ساختمانی موجب افزایش مقاومت ضربه حتی در درجه حرارت های زیر صفر میگردد و بنابر این در فولاد های سختی سطحی شونده ، عملیات حرارتی پذیر و فولاد های مورد استفاده در دردرجه حرارتهای زیر صفر برای افزایش مقاومت  ضربه از نیکل به عنوان عنصر آلیاژی استفاده می شود . همه نقاط تبدیل(A1 تا A4 ) بوسیله نیکل کاهش میابند ، نیکل کاربید زا نیست و منطقه پایداری فاز آستنیت(ү) را وسیع میکند . (بیشتر از ۷%)نیکل حتی اگر بتنهائی بعنوان عنصر آلیاژی و در مقادیر زیاد استفاده شود فرایند های خوردگی را تا حد  زیادی کند میکند . اما نیکل در فولادهای آستنیتی کرم نیکل ، سبب افزایش مقاومت در برابر حمله مواد شیمیائی احیاء کننده می شود ، مقاومت این فولادها در برابر مواد اکسید کننده با اضافه کردن مقدار متوسط کرم بدست می آید . فولاد های آستنیتی ، در دمای بالای c ° ۶۰۰ استحکام بالائی دارند که این موضوع بدلیل بالا بودن درجه حرارت تبلور مجدد آنها بوده و عملاً  غیر مغناطیسی هستند . نیکل هدایت حرارتی و ا لکتریکی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد . مقادیر بالای نیکل با محدوده آنالیزی مشخص منجر به تولید فولادهائی با خواص فیزیکی مشخص مانند فولاد با انبساط حرارتی کم میگردد . به طور کلی میتوان گفت هر چه دمای کاربرد فولاد پائین تر باشد ،  جهت جلوگیری از ریسک شکست ترد  باید از فولاد با نیکل بیشتر استفاده نمود .

وانادیوم (Vanadium)

وانادیوم یک عنصر کاربیدزای قوی بوده و بنابر این سبب افزایش در مقاومت سایشی، افزایش مقاومت لبه های قطعه و افزایش استحکام در درجه حرارتهای بالا می گردد. بنابر این یک عنصر اصلی آایاژی ترجیحی در فولادهای تندبر، ابزار گرمکار و فولادهای مقاوم به حرارت بشمار می آید. این عنصر بطور قابل ملاحظه ای پایداری سختی را افزایش داده و حساسیت فوق گداز را کاهش میدهد. چون وانادیوم دانه اولیه را پالایش و ریز کرده و با تشکیل کاربید از سخت شدن در هوا جلوگیری میکند بنابراین دارای اثر مطلوبی بر روی خواص جوشکاری فولاد های عملیات حرارتی پذیر میباشد. وانادیوم بعلت تشکیل کاربید مقاومت در برابر هیدروژن با فشار بالا را افزایش میدهد و منطقه پایداری فاز آستنیت را محدود نموده و نقاط بحرانی را به درجه حرارتهای بالاتر شیفت میدهد.

هیدروژن (Hydrogen)

هیدروژن در فولاد دارای اثرات مضری است، چون بدلیل کاهش درصد تغییر طول و درصد کاهش سطح مقطع بدون افزایش تنش تسلیم و استحکام کششی سبب تردی در فولاد می گردد. هیدروژن فعال در شرایط کاری دشوار به داخل فولاد نفوذ کرده و تشکیل حفره های انفجاری می دهد. همچنین هیدروژن مرطوب سبب دکربوره شدن فولاد در درجه حرارتهای بالا می گردد.