چقرمگی Toughness فولاد

چقرمگی (Toughness) به توانایی یک ماده در جذب انرژی قبل از شکست اشاره دارد.

این خاصیت، ترکیبی از استحکام و انعطافپذیری است و نشان میدهد. که ماده چقدر میتواند در برابر اعمال نیرو بدون شکست مقاومت کند. و باید بیان کرد که چقرمگی معمولاً با مساحت زیر منحنی تنش-کرنش در آزمایش کشش اندازهگیری میشود.

چقرمگی Toughness فولاد

 انواع چقرمگی:

1. چقرمگی ضربهای (Impact Toughness): 

• مقاومت ماده در برابر شکست ناگهانی تحت بارهای ضربهای (مانند ضربه چکش). 

• با آزمایش شارپی (Charpy) یا آیزود (Izod) اندازهگیری میشود. 

• واحد آن ژول بر مترمربع (J/m²) یا فوت-پوند بر اینچ (ft-lb/in) است. 

2. چقرمگی شیار (Notch Toughness): 

   – مقاومت ماده در برابر شکست وقتی که نقاط تمرکز تنش (مانند شیار) وجود دارد. 

   – در مواد کمچقرمه، شیار میتواند منجر به شکست ترد شود. 

3. چقرمگی شکست (Fracture Toughness): 

• توانایی ماده در مقاومت در برابر رشد ترک هنگامی که ترک یا عیب موجود است. 

• با کمیت K_IC (مقاومت به شکست در حالت تنش صفحه‌ای). اندازهگیری میشود. 

• واحد آن MPa·√m یا ksi·√in است. 

 تفاوت چقرمگی با استحکام و انعطافپذیری: 

استحکام (Strength): حداکثر تحمل تنش قبل از تسلیم یا شکست. 

انعطافپذیری (Ductility): توانایی تغییر شکل پلاستیک قبل از شکست. 

چقرمگی (Toughness): کل انرژی جذبشده تا نقطه شکست (ترکیب استحکام و انعطافپذیری). 

 مثالها: 

فولادهای کم آلیاژ: چقرمگی بالا (هم استحکام و هم انعطافپذیری خوب). 

شیشه یا چدن: چقرمگی پایین (شکست ترد با انرژی کم). 

چقرمگی فولادهای آلیاژی.: به دلیل وجود عناصری مانند کروم، نیکل، مولیبدن و وانادیم بهبود مییابد. که این عناصر با افزایش استحکام، انعطافپذیری و مقاومت در برابر رشد ترک. چقرمگی را افزایش می‌دهند. در صنایع ایران، برخی فولادهای آلیاژی پرکاربرد به شرح زیر هستند:

 ۱. فولاد CK45 (فولاد کربنی متوسط)

   ترکیب: کربن (~۰.۴۵٪)، منگنز، سیلیسیم. 

   چقرمگی ضربهای: متوسط (حدود ۴۰-۶۰ ژول در آزمایش شارپی). 

   کاربرد: شفتها، چرخدندهها، قطعات ماشینآلات. 

 ۲. فولاد ۱.۷۲۲۵ (AISI 4140)

   ترکیب: کروم (~۱٪)، مولیبدن (~۰.۲٪)، کربن (~۰.۴٪). 

   چقرمگی ضربهای: بالا (حدود ۸۰-۱۲۰ ژول). 

   کاربرد: میلنگ خودرو، قطعات تحت بار دینامیک، تجهیزات نفت و گاز. 

چقرمگی Toughness فولاد

 ۳. فولاد ۱.۶۵۸۲ (AISI 4340)

   ترکیب: نیکل (~۱.۸٪)، کروم (~۰.۸٪)، مولیبدن (~۰.۲۵٪).  

   چقرمگی شکست (K_IC): ~ ۹۰ MPa√m. 

   کاربرد: قطعات هوافضا، محورهای سنگین، چکشهای صنعتی. 

چقرمگی Toughness فولاد

 ۴. فولاد ۱.۷۲۲۷ (AISI 4137)

   ترکیب: کروم (~۰.۹٪)، مولیبدن (~۰.۲٪). 

   چقرمگی شیار: مقاومت خوب در برابر تمرکز تنش. 

   کاربرد: اکسل خودرو، قطعات دیزل. 

 ۵. فولاد ۱.۷۳۸۰ (AISI 8630)

   ترکیب: نیکل (~۰.۵٪)، کروم (~۰.۵٪)، مولیبدن (~۰.۲٪). 

   چقرمگی ضربهای: ~ ۷۰-۱۰۰ ژول. 

   کاربرد: قطعات کشتیسازی، تجهیزات حفاری. 

 عوامل مؤثر بر چقرمگی فولادهای آلیاژی در ایران:

عملیات حرارتی: تمپر کردن (Tempering) چقرمگی را افزایش میدهد. 

ناخالصیها: گوگرد و فسفر چقرمگی را کاهش میدهند. 

ریزساختار: مارتنزیت تمپر شده چقرمگی بهتری نسبت به پرلیت دارد. 

 چقرمگی فولاد CK45 (فولاد کربنی متوسط)

فولاد CK45 (معادل AISI 1045) یک فولاد کربنی پرکاربرد با ۰.۴۵% کربن است که به دلیل تعادل مناسب بین استحکام و چقرمگی. در صنایع ایران برای ساخت شفتها، چرخدندهها و قطعات ماشینآلات استفاده میشود.

 ۱. روشهای اندازهگیری چقرمگی فولاد CK45

چقرمگی این فولاد معمولاً با دو آزمایش اصلی سنجیده میشود:

 الف) آزمایش ضربه شارپی (Charpy Impact Test)

هدف: اندازهگیری چقرمگی ضربهای (انرژی جذبشده قبل از شکست تحت بار ضربهای). 

نمونه استاندارد: نمونه V-Notch (شیاردار) با ابعاد ۱۰×۱۰×۵۵ میلیمتر. 

روش اجرا: 

  ۱. نمونه در دمای مورد نظر (معمولاً دمای محیط یا زیر صفر) قرار میگیرد. 

  ۲. پاندول شارپی از ارتفاع مشخص رها شده و به نمونه ضربه میزند. 

  ۳. انرژی جذبشده (بر حسب ژول) محاسبه میشود. 

نتایج معمول برای CK45: 

  چقرمگی ضربهای در دمای محیط: ~ ۴۰–۶۰ ژول (بسته به عملیات حرارتی). 

  رفتار در دمای پایین: با کاهش دما، چقرمگی کاهش یافته و خطر شکست ترد افزایش مییابد. 

 ب) آزمایش کشش (Tensile Test) برای تخمین چقرمگی

هدف: محاسبه چقرمگی از طریق مساحت زیر منحنی تنش-کرنش. 

فرمول: 

  \[  \text{چقرمگی} \approx \text{استحکام تسلیم} \times \text{ازدیاد طول تا شکست}  \]

مقادیر معمول CK45: 

  – استحکام تسلیم (Yield Strength): ~ 450 MPa 

  – ازدیاد طول (Elongation): ~ ۱۶–۲۰٪ 

  چقرمگی کششی: ~ ۷۰–۹۰ MJ/m³ 

 ۲. عوامل مؤثر بر چقرمگی CK45

 الف) عملیات حرارتی

آنیل کردن (Annealing): چقرمگی را افزایش میدهد، اما استحکام را کاهش میدهد. 

تمپر کردن (Tempering): پس از سختکاری، چقرمگی را بهبود میبخشد. 

  – مثال: CK45 سختکاریشده و تمپرشده در ۲۰۰–۳۰۰°C چقرمگی ضربهای ~ ۵۰–۷۰ ژول دارد. 

 ب) اثر ترکیب شیمیایی

کربن (۰.۴۵٪): استحکام را افزایش میدهد، اما چقرمگی را کاهش میدهد (نسبت به فولادهای کمکربن). 

ناخالصیها (گوگرد، فسفر): چقرمگی ضربهای را کاهش میدهند. 

 ج) ریزساختار

فریت-پرلیت: چقرمگی متوسط (مقادیر معمول شارپی). 

مارتنزیت تمپرشده: چقرمگی بالاتر (در صورت سختکاری و تمپر). 

چقرمگی Toughness فولاد

 ۳. مقایسه چقرمگی CK45 با سایر فولادها

• | فولاد | چقرمگی ضربه‌ای (شارپی, J) | چقرمگی کششی (MJ/m³) | کاربردهای کلیدی |

• | CK45 | ۴۰–۶۰ | ۷۰–۹۰ | شفتها، چرخدنده‌ها |

• | AISI 4140 | ۸۰–۱۲۰ | ۱۰۰–۱۵۰ | میلنگ، قطعات دینامیکی |

• | St37 (کمکربن) | ۶۰–۸۰ | ۵۰–۷۰ | سازه‌های جوشی |

 ۴. محدودیتهای چقرمگی CK45

شکست ترد در دمای پایین: زیر ۲۰°C- چقرمگی ضربهای به شدت کاهش مییابد. 

حساسیت به شیار: در صورت وجود تمرکز تنش (مثل شیار)، چقرمگی کاهش مییابد. 

 نتیجه گیری:

فولاد CK45 چقرمگی مناسبی برای کاربردهای عمومی مکانیکی دارد. و اما برای شرایط بارگذاری ضربه‌ای شدید یا دمای بسیار پایین، فولادهای آلیاژی (مثل AISI 4140) گزینه بهتری هستند. 

 نمودار انتقال دکتیل-بریتل (DBTT) و تأثیر عملیات حرارتی بر چقرمگی فولاد CK45

 ۱. نمودار انتقال دما (DBTT – Ductile to Brittle Transition Temperature)

فولاد CK45 مانند بسیاری از فولادهای کربنی، در دماهای پایین از حالت چکشخواری (دکتیل) به حالت ترد (بریتل) تغییر رفتار میدهد. این پدیده با نمودار DBTT نمایش داده میشود.

روش آزمایش: 

  – انجام آزمایش شارپی در دماهای مختلف (از -60°C تا +100°C). 

  – ثبت انرژی جذبشده و بررسی ظاهر سطح شکست. 

نتایج معمول برای CK45: 

• | دما (°C) | انرژی ضربه (ژول) | نوع شکست | 

•   | -40  | ~۱۵–۲۰           | ترد (سطح صاف) | 

• | -20  | ~۲۵–۳۵           | مختلط | 

• | ۰    | ~۴۰–۵۰           | نیمهترد | 

  | +25  | ~۵۰–۶۰           | چکشخوار (ناهموار) | 

  | +100 | ~۶۵–۷۵           | کاملاً چکشخوار | 

نمودار DBTT: 

   

• منطقه ترد: زیر -20°C (انرژی ضربه زیر ۳۰ ژول). 

• منطقه انتقال: بین -20°C تا +20°C. 

• منطقه چکشخوار: بالای +20°C. 

 ۲. تأثیر عملیات حرارتی بر چقرمگی CK45

همچنین عملیات حرارتی میتواند ریزساختار و در نتیجه چقرمگی فولاد CK45 را تغییر دهد. مهمترین روشها:

 الف) آنیل کردن (Annealing)

دما: ~۸۵۰°C (به مدت ۱ ساعت، سپس کوره خنک). 

تأثیر بر چقرمگی: 

  افزایش چقرمگی کششی (به دلیل تشکیل فریت نرم و پرلیت). 

  کاهش استحکام (تسلیم ~۳۰۰ MPa). 

  انرژی ضربه شارپی: ~۵۵–۷۰ ژول (در دمای محیط). 

 ب) نرمالایزینگ (Normalizing)

دما: ~۸۵۰–۹۰۰°C (هواخنک). 

تأثیر:   ریزساختار یکنواختتر (پرلیت ریزدانه). 

  چقرمگی ضربهای: ~۶۰–۸۰ ژول (بهبود یافته نسبت به آنیل). 

 ج) سختکاری و تمپر (Quenching & Tempering)

سختکاری: گرم تا ۸۵۰°C، سپس آبدهی (تشکیل مارتنزیت ترد). 

تمپر: بازپخت در ۲۰۰–۶۰۰°C (بسته به نیاز): 

• | دمای تمپر (°C) | ریزساختار | انرژی ضربه (ژول) |. 

• | 200       | مارتنزیت تمپر پایین | ~۳۰–۴۰ (کمچقرمه) |. 

• | 400       | مارتنزیت تمپر متوسط | ~۵۰–۶۰ |. 

• | 600       | سوربایت + فریت | ~۷۰–۸۵ (بیشینه چقرمگی) |. 

 ۳. مقایسه عملیات حرارتی بر چقرمگی CK45

• | عملیات حرارتی | انرژی ضربه شارپی (J) | استحکام تسلیم (MPa) | کاربرد |. 

• | آنیل شده      | ۵۵–۷۰                | ~۳۰۰                | قطعات نرم |. 

• | نرمالایز شده | ۶۰–۸۰                | ~۳۵۰                | عمومی |. 

• | سختکاری + تمپر ۴۰۰°C | ۵۰–۶۰         | ~۶۰۰                | قطعات سخت |. 

• | سختکاری + تمپر ۶۰۰°C | ۷۰–۸۵         | ~۴۵۰                | تعادل استحکام-چقرمگی |. 

چقرمگی Toughness فولاد

 ۴. نکات کلیدی

بهترین چقرمگی: تمپر در ۵۵۰–۶۰۰°C (ترکیب سوربایت و فریت). 

بدترین چقرمگی: حالت سختکاریشده بدون تمپر (شکست ترد). 

تأثیر دما: CK45 برای کاربردهای زیر -20°C مناسب نیست (مگر با اصلاح ترکیب شیمیایی). 

فولاد CK45 یک ماده پرکاربرد در صنعت است زیرا تعادل خوبی بین استحکام و چقرمگی دارد. با این حال، این فولاد در دمای زیر صفر رفتار ترد از خود نشان میدهد. برای مثال، در آزمایش شارپی، انرژی ضربه آن در دمای -۲۰°C به نصف مقدار معمول کاهش مییابد. از طرفی، با انجام عملیات حرارتی مناسب مانند تمپر کردن، میتوان چقرمگی آن را بهبود بخشید. بنابراین، انتخاب این فولاد برای کاربردهای دینامیکی در محیطهای سرد نیاز به بررسی دقیقتری دارد. در نتیجه، مهندسان باید همیشه شرایط کاری و دمایی را پیش از انتخاب این ماده در نظر بگیرند.

انواع مقاطع فولاد CK45 و تولیدکنندگان داخلی و خارجی آن

فولاد CK45 به دلیل خواص متعادل مکانیکی و قیمت مناسب، یکی از پرکاربردترین فولادهای کربنی در صنعت محسوب میشود. در ابتدا باید اشاره کرد که این فولاد در اشکال و مقاطع مختلفی تولید میشود که هر کدام کاربردهای خاص خود را دارند.

انواع مقاطع فولاد CK45:

1. میلگرد (Round Bar):

• قطرهای معمول: 5mm تا 300mm

• کاربردها: شفتهای انتقال قدرت، محورها، پیچهای صنعتی

• ویژگی: سطح صاف و پرداخت شده برای کاربردهای دقیق

2. ورق (Plate/Sheet):

• ضخامت: از 1mm تا 150mm

• کاربردها: ساخت قالبها، پایههای ماشینآلات

• ویژگی: قابلیت ماشینکاری و جوشکاری خوب

3. میلگرد شش گوش (Hexagon Bar):

   – اندازه: 5mm تا 100mm

   – کاربردها: پیچ و مهرههای سنگین، ابزارآلات

4. لوله (Tube/Pipe):

   – انواع: بدون درز (Seamless) و درزدار (Welded)

   – کاربردها: سیستمهای هیدرولیک، محافظ شفتها

تولیدکنندگان داخلی:

در ایران چندین کارخانه معتبر به تولید این فولاد میپردازند:

– ذوبآهن اصفهان: تولید کننده اصلی میلگرد و شمش

– فولاد خوزستان: تولید ورق و میلگرد

– فولاد آلیاژی ایران: تولید مقاطع خاص

– نورد و لوله اهواز: تولید لولههای صنعتی

تولیدکنندگان خارجی:

از سوی دیگر در سطح بینالمللی شرکتهای معتبری این فولاد را تولید میکنند:

– آلمان: ThyssenKrupp, Saarstahl

– ژاپن: JFE Steel, Nippon Steel

– چین: Baosteel

– ترکیه: Erdemir, Kardemir

چقرمگی Toughness فولاد

نکته مهم این که کیفیت فولاد CK45 تولیدی در ایران در سالهای اخیر بهبود چشمگیری داشته است. با این حال هنوز در برخی کاربردهای حساس، فولاد وارداتی ترجیح داده میشود. در نتیجه انتخاب بین تولید داخلی و خارجی باید بر اساس نیازهای دقیق پروژه انجام شود.

به عنوان مثال برای کاربردهای عمومی میتوان از محصولات داخلی استفاده کرد، در حالی که برای قطعات حساس با تلرانس بالا ممکن است محصولات آلمانی یا ژاپنی مناسبتر باشند. در نهایت باید توجه داشت که قیمت، کیفیت و در دسترس بودن همگی در انتخاب نهایی موثر هستند.

فولاد 1191 چیست؟

فولاد فلز مقاومی است که از آهن بدست می آید. ساده ترین روش ساخت فولاد، ریختن آهن گداخته و مذاب داخل کوره تبدیل. و دمیدن هوای گرم و اکسیژن روی آن بخش عمده کربن موجود در آهن., با استفاده از این روش میسوزد. و در نهایت به فولاد تبدیل خواهد شد. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن., عملیات حرارتی مورد بر روی آن و فلزهای آلیاژ دهنده . موجود در آن بستگی دارد.

فولاد ck45 – این نوع فولاد یک فولاد غیر آلیاژی بوده و جزء. دسته فولادهای قابل عملیات حرارتی قرار میگیرد. این نوع فولاد از دسته فولادهای متوسط کربن که دارای ترکیبات شیمیایی.: 45 صدم درصد کربن . 25 صدم درصد سیلیسیم . 65 صدم درصد منگنز میباشد.

این فولاد در دمای 700 الی 650 آنیل و در دمای 850 الی 1100 . تحت عملیات فورجینگ قرار می گیرد و در شرایط آبدهی., یکنواخت سازی,برگشت دهی بکار میرود.

کاربرد ورق 1191 در صنایع مختلف:

1- استفاده در شرایط دمای بسیار بالا.2- استفاده در شرایط دمای بسیار پایین.3- استفاده از این فلز در ابزار و وسایلی که نیاز به استحکام بالا دارند.4- جهت ساخت مخازن تحت فشار.5- مقاوم در برابر نمکهای دریایی و استفاده در صنایع دریایی.6- فلز مقاوم در برابر زنگ زدگی.7- مقاوم در برابر خورندگی هوا.8- صنایع هواپیما سازی.9- راه سازی,پل سازی و شهرسازی.

10 – صنایع قطعه سازی.

11- صنایع ساخت ابزار.

12- فولادهای مقاوم در برابر اسید.

13- سختی بسیار بالا.

14- استفاده از این نوع فولاد در مصارف خاص.

اسامی دیگر این نوع فولاد

در بازار با نامهای C60 , 1060 , V945 معروف است.

از مشخصات این فولاد میتوان به مقاومت در برابر اصطکاک,. استحکام خوب, مقاومت در برابر ضربه اشاره نمود.

این فولاد بدلیل مقاومت در برابر ضربه و سایش در تولید ابزارهای. خاک ورز مورد استفاده قرار میگیرد.

از معایب این فولاد این است که., میزان کربن در این نوع فولاد کم است. و به همین علت این فولاد در مقابل خوردگی و زنگ زدگی مقاوم نیست.

این نوع فولاد از درصد کربن بالا برخوردار است. که همین دلیل موجب افزایش استحکام و سختی آن می شود.

این میلگرد یکی از پر مصرف ترین میلگردهای موجود در بازار است. چون قابلیت ماشینکاری و کشش خوبی دارد.

بدلیل خواص خوب این میلگرد,. این روزها بسیار مورد توجه قرار گرفته است.

این میلگرد تحت عملیات حرارتی قرار میگیرد تا به ویژگیهای مکانیکی خاصی برسد. اگر قبل و بعد عملیات جوشکاری میلگرد را حرارت بدهیم. میلگرد ck45 برای جوشکاری آماده میگردد.