تفاوت فولاد کم کربن و پرکربن؛ بررسی خواص و کاربردها

تفاوت فولاد کم کربن و پرکربن تنها به مقدار کربن موجود در ترکیب شیمیایی آنها محدود نمی شود؛ افزایش کربن ساختار میکروسکوپی فولاد، مقدار پرلیت و کاربیدها، سختی، استحکام، چقرمگی، شکل پذیری، جوش پذیری و پاسخ ماده به عملیات حرارتی را تغییر می دهد. به همین دلیل انتخاب میان این دو گروه باید بر اساس شرایط بارگذاری، میزان سایش، احتمال ضربه، روش ساخت و فرآیندهای بعدی قطعه انجام شود. فولاد کم کربن معمولا در سازه ها، ورق ها، پروفیل ها و قطعاتی که شکل دهی و جوشکاری اهمیت زیادی دارد کاربرد بیشتری دارد، در حالی که فولاد پرکربن برای قطعاتی مناسب است که سختی، حفظ لبه و مقاومت سایشی اولویت بالاتری دارند. البته قیمت آهن آلات نیز در تصمیم گیری صنعتی اهمیت دارد، اما مقایسه صرف قیمت بدون توجه به عمر کاری، هزینه ماشین کاری و عملیات حرارتی می تواند انتخاب اشتباهی ایجاد کند. برای شناخت دقیق تر فرق فولاد کم کربن و پر کربن و انتخاب مناسب ترین گزینه برای هر کاربرد، در ادامه مقاله تفاوت های متالورژیکی و عملکردی این دو گروه را مرحله به مرحله بررسی می کنیم.

تفاوت فولاد کم کربن و پرکربن

فولاد کربنی گروه وسیعی از آلیاژهای آهن و کربن است که بخش عمده خواص مکانیکی فولاد کربنی از مقدار کربن، ریزساختار حاصل و تاریخچه فرآوری ماده تاثیر می گیرد. در یک مقایسه ساده ممکن است گفته شود فولاد کم کربن نرم و فولاد پرکربن سخت است، اما این تعریف برای تصمیم گیری مهندسی کافی نیست. افزایش کربن مقدار فازهای سخت تر را افزایش می دهد، امکان ایجاد مارتنزیت پس از کوئنچ را بیشتر می کند و مقاومت ماده در برابر تغییر شکل پلاستیک را بالا می برد. در مقابل، همین افزایش کربن می تواند قابلیت جوشکاری، شکل دهی سرد و تحمل تغییر شکل پیش از شکست را کاهش دهد.

تفاوت های فولاد کم کربن و پر کربن زمانی بهتر درک می شوند که ترکیب شیمیایی، ریزساختار و فرآیند تولید همزمان بررسی شوند. دو فولاد با درصد کربن متفاوت ممکن است بعد از آنیل، نورد سرد، نرماله کردن یا کوئنچ و تمپر رفتار کاملا متفاوتی نشان دهند. بنابراین عدد درصد کربن نقطه شروع تحلیل است و نه تمام آن.

تفاوت در درصد کربن

مهم ترین تفاوت میان این دو گروه مقدار کربن موجود در فولاد است. مرز دقیق طبقه بندی در تمام استانداردها کاملا یکسان نیست، اما فولاد کم کربن معمولا دارای مقدار نسبتا کمی کربن است و بسیاری از گریدهای رایج آن کمتر از حدود 0.25 درصد کربن دارند. در مقابل، فولادهای پرکربن معمولا در محدوده بالاتر از حدود 0.6 درصد قرار می گیرند و بعضی گریدها مقدار کربن نزدیک یا بیش از 1 درصد دارند.

افزایش درصد کربن باعث افزایش سهم پرلیت در فولادهای هیپویوتکتوئید می شود. وقتی ترکیب به ناحیه نزدیک یوتکتوئید می رسد، ساختار پس از سرد شدن تعادلی عمدتا پرلیتی خواهد بود. در ترکیبات بالاتر، امکان حضور سمنتیت اضافی نیز افزایش پیدا می کند. بنابراین فولاد کم کربن معمولا دارای سهم بیشتری از فریت نرم و شکل پذیر است، در حالی که فولاد پرکربن سهم بیشتری از ساختارهای سخت تر دارد.

این تفاوت ریزساختاری دلیل اصلی بخش قابل توجهی از اختلاف خواص آنها است. کربن همچنین امکان ایجاد محلول فوق اشباع مارتنزیتی پس از آستنیته کردن و سرد کردن سریع را فراهم می کند؛ موضوعی که در قابلیت سخت کاری فولادهای پرکربن بسیار مهم است.

تفاوت در سختی

فولاد پرکربن در شرایط مشابه عموما سختی بیشتری نسبت به فولاد کم کربن دارد. دلیل این موضوع فقط وجود کربن بیشتر نیست، بلکه تغییر مقدار و نوع فازهای موجود در ریزساختار نیز اهمیت دارد. افزایش کربن مقدار پرلیت و کاربیدها را بیشتر می کند و مقاومت شبکه در برابر تغییر شکل پلاستیک افزایش می یابد.

فولاد پرکربن پس از کوئنچ نیز می تواند مارتنزیت با سختی بالایی ایجاد کند. کربن موجود در مارتنزیت شبکه بلوری را به شدت اعوجاج می دهد و حرکت نابجایی ها را محدود می کند. به همین دلیل تیغه ها، فنرهای خاص، سیم های پر استحکام و ابزارهای نیازمند سطح سخت اغلب از فولادهایی با کربن بالاتر ساخته می شوند.

در مقابل، سختی پایین تر فولاد کم کربن یک ضعف مطلق نیست. همین ویژگی باعث می شود این فولاد قابلیت خمکاری، کشش عمیق، شکل دهی و جوشکاری مناسبی داشته باشد. در نتیجه معیار انتخاب باید کاربرد باشد، نه صرفا بیشترین سختی قابل دستیابی.

تفاوت در استحکام

افزایش مقدار کربن عموما می تواند استحکام کششی و استحکام تسلیم فولاد را افزایش دهد، زیرا حرکت نابجایی ها دشوارتر می شود و سهم ریزساختارهای سخت تر افزایش پیدا می کند. با این حال رابطه میان کربن و استحکام کاملا خطی نیست و عواملی مانند اندازه دانه، کار سرد، عملیات حرارتی و سرعت سرد شدن نیز دخالت دارند.

اهمیت این موضوع در عملیات حرارتی فولاد بیشتر مشخص می شود. فولاد پرکربن پس از آستنیته کردن و کوئنچ می تواند مقدار زیادی مارتنزیت تشکیل دهد و به استحکام بسیار بالایی برسد. سپس با تمپر کردن می توان بخشی از تنش های داخلی و شکنندگی آن را کاهش داد. فولاد کم کربن معمولی به دلیل محدود بودن کربن، ظرفیت کمتری برای ایجاد مارتنزیت پرکربن دارد و افزایش سختی حجمی آن به روش کوئنچ مستقیم محدودتر است.

البته استحکام بیشتر همیشه به معنای عملکرد بهتر نیست. قطعه ای که در معرض ضربه قرار دارد ممکن است از فولادی با استحکام کمتر اما چقرمگی بالاتر عملکرد مطمئن تری داشته باشد.

تفاوت در شکل پذیری

یکی از واضح ترین تفاوت های فولاد کم کربن و پر کربن در قابلیت تغییر شکل پلاستیک آنها دیده می شود. فولاد کم کربن به دلیل سهم بالاتر فریت و سختی کمتر، می تواند پیش از شکست تغییر شکل بیشتری تحمل کند. همین ویژگی آن را برای نورد، خمکاری، کشش، پرسکاری و تولید قطعات با هندسه پیچیده مناسب می کند.

با افزایش کربن، مقاومت ماده در برابر لغزش و حرکت نابجایی بیشتر می شود. در نتیجه نیروی بیشتری برای تغییر شکل لازم است و دامنه تغییر شکل قابل تحمل قبل از شروع ترک کاهش پیدا می کند. فولاد پرکربن سخت شده به ویژه بعد از کوئنچ می تواند شکل پذیری بسیار محدودی داشته باشد.

در فرآیند طراحی، این تفاوت اهمیت زیادی دارد. اگر قطعه پس از تولید نیاز به خمکاری یا فرم دهی قابل توجه داشته باشد، انتخاب فولاد بسیار پرکربن می تواند ریسک ترک را افزایش دهد. در چنین شرایطی ممکن است شکل دهی در حالت نرم تر انجام و عملیات سخت کاری در مرحله بعد اجرا شود.

تفاوت در جوش پذیری

فولاد کم کربن به طور کلی جوش پذیری بسیار بهتری دارد. درصد پایین کربن باعث می شود ناحیه متاثر از حرارت یا Heat Affected Zone کمتر مستعد تشکیل ساختار بسیار سخت و شکننده باشد. به همین دلیل بسیاری از فولادهای ساختمانی و ورق های مورد استفاده در سازه های جوشی در گروه کم کربن قرار می گیرند.

در فولاد پرکربن، چرخه حرارتی جوشکاری می تواند ناحیه اطراف جوش را آستنیته کرده و سرد شدن سریع پس از جوش موجب تشکیل مارتنزیت شود. حضور مارتنزیت سخت همراه با تنش های پسماند احتمال ترک سرد را افزایش می دهد. بنابراین جوشکاری این فولادها معمولا به کنترل دقیق تر Heat Input، پیش گرم کردن، کاهش سرعت سرد شدن و گاهی عملیات حرارتی پس از جوش نیاز دارد.

در نتیجه اگر اتصال جوشی بخش اصلی فرآیند تولید باشد، فولاد کم کربن اغلب انتخاب ساده تر و کم ریسک تری محسوب می شود.

تفاوت در ماشین کاری

مقایسه ماشین کاری این دو گروه پیچیده تر از مقایسه سختی است. فولاد کم کربن نرم است، اما نرم بودن بیش از حد همیشه ماشین کاری را آسان نمی کند. برخی فولادهای بسیار کم کربن هنگام براده برداری تمایل به ایجاد براده های بلند و پیوسته و Built-up Edge روی ابزار دارند؛ بنابراین کیفیت سطح ممکن است تحت تاثیر قرار گیرد.

فولاد پرکربن در شرایط آنیل شده می تواند قابلیت ماشین کاری قابل قبولی داشته باشد، اما با افزایش سختی و به ویژه بعد از سخت کاری، نیروهای برش و سایش ابزار افزایش پیدا می کند. ماشین کاری فولاد پرکربن سخت شده ممکن است به ابزارهای کاربیدی، سرامیکی یا حتی عملیات سنگ زنی نیاز داشته باشد.

به همین دلیل قطعات پرکربن معمولا تا حد امکان پیش از سخت کاری نهایی ماشین کاری می شوند و فقط عملیات دقیق نهایی بعد از عملیات حرارتی انجام می گیرد.

تفاوت در مقاومت سایشی

مقاومت سایشی یکی از حوزه هایی است که فولاد پرکربن معمولا برتری مشخصی دارد. سختی بالاتر و امکان ایجاد مارتنزیت و کاربیدهای سخت باعث می شود سطح ماده در برابر خراش، بریدگی، فرورفتگی و جدا شدن ذرات مقاومت بیشتری نشان دهد.

این ویژگی در تیغه ها، ابزارهای برشی، سیم های مقاوم، قطعات اصطکاکی و بعضی اجزای ماشین آلات اهمیت دارد. البته مقاومت سایشی تنها تابع درصد کربن نیست؛ ریزساختار، سختی نهایی، حضور عناصر آلیاژی، اندازه کاربیدها و نوع سایش نیز تعیین کننده هستند.

فولاد کم کربن در حالت معمول برای سایش شدید گزینه ایده آلی نیست، اما می توان سطح آن را با روش هایی مانند کربن دهی سخت کرد. در این حالت مغز قطعه چقرمه باقی می ماند و سطح دارای کربن و سختی بیشتری می شود. این ترکیب برای چرخ دنده ها و بعضی قطعات مکانیکی بسیار ارزشمند است.

تفاوت در قابلیت عملیات حرارتی

فولاد پرکربن از نظر سخت کاری مستقیم پاسخ بسیار قوی تری به عملیات حرارتی نشان می دهد. با افزایش مقدار کربن، سختی مارتنزیت قابل دستیابی بیشتر می شود. بنابراین آستنیته کردن، کوئنچ و سپس تمپر کردن می تواند محدوده وسیعی از سختی و استحکام را در این فولاد ایجاد کند.

فولاد کم کربن به علت مقدار محدود کربن، حتی در صورت تشکیل مارتنزیت نمی تواند همان سطح سختی فولاد پرکربن را ایجاد کند. برای جبران این محدودیت در برخی قطعات از Case Hardening استفاده می شود. در فرآیندهایی مانند Carburizing ابتدا کربن سطح افزایش داده می شود و سپس با سخت کاری، یک لایه سطحی سخت روی مغز کم کربن و چقرمه ایجاد می شود.

بنابراین تفاوت بین فولاد کم کربن و پر کربن در عملیات حرارتی فقط شدت سخت شدن نیست، بلکه استراتژی فرآیند نیز متفاوت است.

تفاوت در کاربرد

فولاد کم کربن به دلیل قیمت مناسب، جوش پذیری، شکل پذیری و امکان تولید انبوه در حجم بسیار زیادی استفاده می شود. ورق های ساختمانی، بدنه بسیاری از تجهیزات، لوله، پروفیل، قطعات پرسکاری شده، سازه های فلزی، پیچ و مهره های عمومی و بخش قابل توجهی از محصولات نوردی نمونه هایی از کاربردهای آن هستند.

فولاد پرکربن برای کاربردهایی انتخاب می شود که مقاومت در برابر تغییر شکل، سختی و سایش اهمیت بیشتری دارد. فنرها، تیغه های برشی، اره، سیم های پر استحکام، برخی ابزارها و قطعات مقاوم به سایش از مهم ترین نمونه ها هستند.

بنابراین مقایسه فولاد کم کربن و پر کربن نشان می دهد حوزه استفاده آنها تا حد زیادی مکمل یکدیگر است. یکی برای ساخت پذیری و تحمل تغییر شکل مناسب تر است و دیگری زمانی ارزش پیدا می کند که سختی و حفظ خواص سطحی اهمیت بیشتری داشته باشد.

تفاوت در قیمت

نمی توان تنها بر اساس درصد کربن گفت فولاد پرکربن همیشه گران تر از فولاد کم کربن است. قیمت محصول فولادی تابع گرید، شکل محصول، استاندارد، حجم تولید، کیفیت سطح، ابعاد، فرآیند ساخت و شرایط بازار است. فولادهای کم کربن به دلیل حجم بسیار زیاد تولید و مصرف گسترده معمولا زنجیره تامین ساده تری دارند.

در مقابل، برخی محصولات پرکربن علاوه بر ترکیب شیمیایی کنترل شده به فرآیندهای دقیق نورد، آنیل، کروی کردن کاربیدها یا عملیات حرارتی نیاز دارند که هزینه تولید را افزایش می دهد. همچنین هزینه نهایی قطعه باید شامل ماشین کاری و عملیات حرارتی باشد.

در نتیجه در انتخاب فولاد کم کربن یا پر کربن بهتر است Total Cost of Ownership بررسی شود. فولادی که خرید اولیه گران تری دارد ممکن است به دلیل عمر سایشی بیشتر در یک کاربرد خاص اقتصادی تر باشد.

جدول زیر مهم ترین تفاوت فولاد کم کربن و پر کربن را به صورت فشرده نشان می دهد:

معیار مقایسه	فولاد کم کربن	فولاد پرکربن
مقدار کربن	معمولا پایین و اغلب کمتر از حدود 0.25 درصد	معمولا حدود 0.6 درصد به بالا
ریزساختار متداول	فریت بیشتر و پرلیت کمتر	پرلیت و کاربید بیشتر
سختی	پایین تر	بالاتر
استحکام	متوسط	بالاتر در شرایط مناسب
شکل پذیری	زیاد	کمتر
چقرمگی	معمولا بیشتر	با افزایش سختی کاهش می یابد
جوش پذیری	بسیار خوب تا خوب	دشوارتر و حساس تر
ماشین کاری	وابسته به گرید؛ گاهی نرم و چسبنده	در حالت سخت شده دشوار
مقاومت سایشی	معمولی	بالا
سخت کاری مستقیم	محدود	بسیار بهتر
کربن دهی سطحی	بسیار مناسب	معمولا ضرورتی ندارد
کاربرد شاخص	ورق، پروفیل، سازه و قطعات فرم داده شده	فنر، تیغه، سیم و قطعات سایشی
رفتار در ضربه	معمولا تحمل بهتر	در سختی بالا مستعد شکست تردتر
هزینه فرآوری	معمولا کمتر	ممکن است به عملیات دقیق تر نیاز داشته باشد

جدول نشان می دهد هیچ یک از دو گروه در تمام شاخص ها بر دیگری برتری ندارد. فولاد کم کربن قابلیت ساخت و اتصال بهتری فراهم می کند، در حالی که فولاد پرکربن امکان دستیابی به سختی و مقاومت سایشی بیشتری دارد. به همین دلیل انتخاب مهندسی باید از شرایط واقعی سرویس آغاز شود؛ یعنی مشخص شود قطعه تحت کشش، خمش، ضربه، سایش یا ترکیبی از این بارها قرار دارد و سپس درصد کربن و وضعیت عملیات حرارتی انتخاب شود.

فولاد کم کربن بهتر است یا پرکربن؟

پاسخ به این پرسش که فولاد کم کربن یا پر کربن بهتر است، بدون مشخص کردن کاربرد امکان پذیر نیست. برای سازه های جوشی، ورق های شکل داده شده، قطعات پرسکاری، لوله ها و اجزایی که باید ضربه و تغییر شکل را بدون شکست ناگهانی تحمل کنند، فولاد کم کربن معمولا انتخاب مناسب تری است. مقدار کمتر کربن باعث می شود جوشکاری ساده تر باشد، خطر ایجاد HAZ بسیار سخت کاهش یابد و قطعه قابلیت تغییر شکل بیشتری داشته باشد. از طرف دیگر اگر هدف ساخت تیغه، فنر، سیم مقاوم، قطعه سایشی یا جزئی باشد که باید سختی خود را در برابر تماس مکانیکی حفظ کند، فولاد پرکربن ظرفیت بسیار بیشتری برای تامین این نیاز دارد. بنابراین فرق فولاد کم کربن و پر کربن در این است که یکی بیشتر بر ساخت پذیری، شکل پذیری و چقرمگی تمرکز دارد و دیگری قابلیت دستیابی به سختی و مقاومت سایشی بالاتر را فراهم می کند.

از منظر طراحی مهندسی، انتخاب صحیح باید بر اساس Failure Mode انجام شود. اگر شکست مورد انتظار ناشی از سایش باشد، افزایش سختی می تواند اولویت پیدا کند؛ اگر بار ضربه ای یا تغییر شکل ناگهانی وجود دارد، چقرمگی اهمیت بیشتری دارد؛ و اگر قطعه باید جوش داده شود، Carbon Equivalent و شرایط اتصال باید بررسی شوند. حتی در بعضی کاربردها می توان از مزایای هر دو گروه همزمان استفاده کرد؛ برای مثال فولاد کم کربن با مغز چقرمه را می توان کربن دهی کرد تا سطحی سخت و مقاوم به سایش ایجاد شود. در مقابل، فولاد پرکربن سخت شده را می توان با تمپر کردن از حالت بسیار شکننده خارج کرد. بنابراین مقایسه فولاد کم کربن و پر کربن نباید به انتخاب یک برنده مطلق منجر شود؛ بهترین فولاد همان گریدی است که توازن مناسبی میان سختی، استحکام، چقرمگی، قابلیت ساخت و هزینه برای شرایط سرویس مشخص ایجاد کند.

سوالات متداول