نامگذاری فولادها_بخش ۷

مقدمه

هنگام بررسی و مقایسه فولادها در استانداردهای مختلف، چیزی به نام ” فولاد معادل ” وجود ندارد . بلکـه در بهتـرین حالـت مـی تـوان گروهی از ” فولادهای قابل مقایسه ” را بر اساس اصولی خاص تعیین کرد.

بعنوان مثال فولاد ASTM A 516/A516 M Grade70  با    JIS G 3118 Symbol SGV و با استاندارد اروپایی   EN 10028-2 steel name P29SGH بــا توجــه بــه  ترکیــب شــیمیایی و خــواص مکــانیکی قابــل مقایــسه (comparable  ) است.

در حقیقـت آنهـا معـادل ( equivalent  ) نیـستند زیـرا تفاوتهـایی در ترکیـب شـیمیایی آنهـا و خـواص مکانیکی شان وجود دارد. مقایسه فولادها در استاندارد های مختلف همانند یک معادله ریاضی که در دو طرف آن مقادیری معادل با یکـدیگر هستند، نیست زیرا همیشه تفاوتهایی بین استانداردهای مختلف وجود دارد. این تفاوت ها ممکن است برای یک کـاربر ( user ) بـسیار بـا اهمیت بوده و ممکن است برای فرد دیگری کم اهمیت باشد. برخی از استاندارد های فولادها بصورت مشترک تـدوین شـده انـد، مـثلاً EN ISO 4957-Tool Steels استانداردی است که بصورت مشترک توسط CEN و ISO تدوین شده است.

بدین ترتیـب، داده ها و مشخصات در هر دو سیستم معادل هستند اما در حقیقت یک استاندارد وجود دارد. همچنین استانداردهایی وجـود دارنـد کـه برخـی ازگریدهای فولادها در آنها مشترک است .بعنوان مثال در استانداردهایASTM A 485 و EN ISO 683-17 ،  هفـت گریـد فـولاد  بلبرینگ مشابه( identical ) از لحاظ ترکیب شیمیایی وجود دارند . این در حالی است که سایر قسمتهای این دو نـوع اسـتاندارد شـامل اندازه دانه ، سختی پذیری ، ریز ساختار ، سختی ، بازرسی و آزمون متفاوت است .در نتیجه این هفـت فـولاد بلبرینـگ در ایـن دو اسـتاندارد  ( not equivalent,but are comparable )

معادل نیستند بلکه قابل مقایسه هستند.

   ( Comparative and Closest Match ) قابل مقایسه و نزدیک ترین انطباق

در هنگام ارزیابی استانداردهای فولادها باید به تفاوت ” قابل مقایسه ” و ” نزدیکترین انطباق ” توجه کرد. گزینش گروهی از فولادهای قابل مقایسه از لحاظ فنی می تواند کاربر را در انتخاب مواد مبتنی بر امتیاز فنی یاری دهد. اگر چه، این روش تعداد فولادهای قابل مقایـسه را محدود می کند. از سوی دیگر، استفاده از روش نزدیکترین انطباق معمولاً تعداد فولادهای قابل مقایسه را افزایش می دهـد امـا دامنـهمعیارهای مقایسه فنی نیز گسترده تر می گردد. در مجموع، روش مقایسه سخت گیرانه نتایج دقیق تـری مـی دهـد امـا روش نزدیکتـرینانطباق داده های بیشتری در اختیار کاربر می گذارد. معمولاً در کتابهایی که جداول تبدیل فولادها در استانداردهای مختلـف را ارائـه مـیدهند، اصول مشخصی برای فرموله کردن تمایز بین فولادهای قابل مقایسه و فولادهای نزدیکترین انطباق وجود ندارند. در زیر مثالی آمـده است که فولادهای بدست آمده در هر دو روش در جدول آمده اند.

 

این جدول ترکیب شیمیایی ۹ گرید مختلف فولاد ریختگی را نشان می دهد که همگی آلیاژهـای Cr-Ni-Mo  هـستند و درصـد کـربناسمی آنها ۰٫۳۰ درصد است. اگر مقایسه، سخت گیرانه و بر اساس ترکیب شیمیایی باشد، هیچیک از این آلیاژها قابل مقایسه نخواهند بودزیرا مقادیر کربن، منگنز ، کرم ، نیکل یا مولیبدن متفاوت دارند. پس از مقایسه فنی و حذف ۵ گرید فولاد نهایتا به جدول زیر خواهیم رسید.

در این جدول فولادها در دو گروه تقسیم بندی شده اند که هر یک از این دو گروه توسط خط سیاه رنگ نازکی از هم جدا می شوند.
معیــار انتخــاب هــر کــدام از ایــن گــروه فولادهــا تفــاوت در میــزان مولیبــدن بــوده کــه فولادهــای یــک گــروه بیــشتر از ۰٫۳۰-۰٫۳۵ درصد و فولادهای گروه دیگر کمتر از این بازه مولیبدن دارند.

 

اگر مقایسه فنی سخت گیرانه انجام شود، گرید SCNCrM 2 چون در مقایسه با SC 4330 مقدار منگنـز بیـشتری دارد ، بایـد کنـارگذاشته شود . در این صورت  SC 4330 نیز خود به خود کنار گذاشته خواهد شد چون دیگر فولادی بـرای مقایـسه شـدن بـا آن وجـودندارد!

همین مسئله در مورد گروه دوم در مقایسه بین GS-33 CrNiMo 7 4 4  و   G30NiCrMo8به هنگام در نظـر گـرفتن مقدار نیکل در یک مقایسه سخت گیرانه وجود دارد. مثالی در مورد روش انتخاب بر اساس نزدیکترین انطباق در جدول زیر نشان داده شـده  است. این جدول فولادهای Cr-Mo-Al را برای نیتروره کردن نشان می دهد.

 

توجــه بــه جــدول فــوق نــشان مــی دهــد کــه چهــار گریــد فــولادی کــه در اســتانداردEN آمــده انــد بــا ســه گــروه دیگــر ( ISO,JIS,ASTM ) متفاوت هستند و اگر بر اساس همین اطلاعات قضاوت کنیم شاید بگوییم این چهار فـولاد EN نبایـد بـا سـهگروه دیگر مقایسه شوند اما جالب است بدانید آلیاژهایCr-Al-Mo که در گروهEN آمده اند بصورت فولادهای نیتروره تیپ هستند و در حقیقت فولادهایEN 10085 نزدیکترین انطباق برای این منظور هستند و این گروه می تواند کاربر را بـه سـایر آلیاژهـای نیتـرورهمشابه هدایت کند پس نادیده گرفتن آنها به ضرر کاربر تمام می شود. موقعیت های زیادی برای ایجاد اشتباه و منجر شدن به انتخاب فولاد نامناسب وجود دارند. بعنوان مثال، در مقایسه فولادهای زنگ نزن باید تصمیم های فنی زیادی اتخاذ شوند زیرا یافتن ترکیب های شیمیایی یکسان در استانداردهای کشورهای مختلف ، معمول نیست. جدول زیر لیستی از فولادهـای کار شـده آسـتنیتی Cr-Ni-Mo مربـوط بـه کشورهای آمریکا، ژاپن و اتحادیه اروپا نشان می دهد.

 

 

در جدول فوق به تفاوت مقادیرCr,Ni,Mo  در تمامی استانداردها و محدودهN  در استانداردEN  توجه کنید. این تفاوت ها بر مقاومـت خوردگی فولاد در بسیاری از کاربردها تاثیر دارند بنابر این کاربر باید در انتخاب فولاد مناسب دقت فراوانی داشته باشد.

توجه به تعاریف ASTMو CEN هر یک استانداردی برای تعریف عبارت های مرتبط با فولادها منتشر کرده اند:

توجه به این نکته لازم است که هر یک از این استانداردها، از تعابیر مختلفی برای توصیف انواع مختلف فولاد استفاده مـی کننـد. بنـابراینکاربر باید از این مسئله آگاه باشد که هر استاندارد تعاریف خاص خودش را در مورد فولاد و محصولات مرتبط دارد و حتی ممکن است ایـنتعاریف چندگانه باشند. بعنوان مثال می توان با سه تعریف مختلف فولاد کربنی اشاره کرد که در استانداردهایASTM بـا شـماره هـای F 1789-04,A902-03,A941-03 آمده اند. خلاصه ای از محدوده عناصر شیمیایی مربوط بـهASTM A 941-03 ( فـولادآلیاژی و) EN 10020:2000 ( فولاد غیر آلیاژی ) در جدول زیر آمده است.

 

آنچه در جدول فوق در نگاه اول دیده می شود این است که محدوده ها به نظر شبیه هم هستند اما باید بـه اصـل هفتـاد درصـد ( %۰۷ rule در)  EN 10020 توجه کرد. این اصل تصریح می کند:

هر جا برای عناصر( به جز منگنز) فقط مقدار حداکثر ( max. ) در استاندارد محصول یا مشخصه آنالیز مذاب ، مـشخص شـدهباشد، هفتاد درصد این مقدار حداکثر باید برای رده بندی فولاد به کار رود.

در برخی موارد ، اصل هفتاد درصد باعث می شود برخی فولاد ها قابل مقایسه با یکدیگر نباشند.

بعنوان مثال، استاندارد EN 10028-3:2003 با عنوان:

Flat Products Made of Steels for Pressure Purposes Part3 : Weldable Fine Grain Steels,Normalized

شامل فولادهایی با مقدار نیکل حداکثر ۵/۰ درصد است. ( به عبارت دیگر الزامی در مورد حداقل میزان نیکل وجود ندارد). با کـاربرد اصـل۷۰ درصد، این فولاد می تواند %۰٫۳۵ نیکل داشته باشد که بیشتر از مقدار %۰٫۳ است که حداکثر میزان برای فولادهای غیر آلیاژی ( فولاد کربن ی ) است. بدین ترتیب ، با کاربرد این اصل این فولاد در رده فولادهای آلیاژی قرار می گیرد و غیر قابل مقایسه بـا فـولاد هـای غیر آلیاژی خواهد بود.

مشخص شدن مسئولیت ها

در اکثر استانداردهای مربوط به مشخصات محصول، بندهایی در ارتباط با مسئولیت های کاربر وجود دارند ( بعنوان مثال بند ۱٫۵ استاندارد ASTM A 53/A 53M-02 ) . بدین ترتیب، مسئله بازبینی استاندارد به منظور اطمینان از مناسب بودن آن در کاربرد مورد نظـر بـه منظور مقایسه استانداردهای فولادها، در حیطه مسولیت کاربر قرار دارد.

پرسش هایی که هنگام مقایسه استاندارد فولاد باید مطرح شوند

وقتی که دو یا چند استاندارد فولاد را مقایسه می کنیم، باید پرسش های زیر را مطرح کنیم:

  •  آیا خواص مکانیکی باید معیار اصلی باشد یا ترکیب شیمیایی ؟
  • اگر خواص مکانیکی قابل مقایسه هستند، کدام ویژگی باید اولین معیار مقایسه باشد؟ استحکام تسلیم ، استحکام کششی ، تغییر طول نسبی، استحکام ضربه ، سختی یا ؟….
  • اگر معیار اولیه انتخاب استحکام کششی است آیا معیار دومی نیز برای رده بندی فولاد مقایسه شـونده در یـک گـروه وجـود دارد ؟ مـثلا” استحکام تسلیم یا سختی یا ؟….
  • در مواقعی که خواص مکانیکی یا ترکیب شیمیایی با تغییر ضخامت سطح مقطع یک گرید فولاد تفاوت می کند، کدام ضخامت سـطح بایـدبه عنوان معیار مقایسه انتخاب گردد؟
  • آیا دو فولادی که حداقل استحکام کششی یکسان اما استحکام تسلیم متفاوت دارند، مشابه هستند؟ مقایسه باید بر چه مبنایی انجام شود : بر اساس مقادیر حداکثر، حداقل یا مقادیر میانگین ؟
  • آیا می توان فولادهای آلیاژی و فولادهای زنگ نزن را بر اساس خواص مکانیکی آنها مقایسه کرد در زمانی که آنهـا را معمـولا بـر اسـاسقابلیت های عناصر آلیاژیشان به منظور کاربرد در شرایط مورد نظر انتخاب می کنند؟
  • آیا مقایسه فولادها تنها بر اساس ترکیب شیمیایی آنها صرف نظر از شکل محصول، صحیح است؟ در این صورت، آیا فولادهای آهنگـری( Forging ) قابل مقایسه با ورق های فولادی یا لوله ها تنها به این دلیل که ترکیب شیمیایی یکسان داشته و داده هـای مهندسـی آنهـابرای کاربرد مورد نظر مناسب است، می باشند ؟

فولادهای غیر قابل مقایسه

نمی توان گفت هر فولادی حتماً  یک فولاد مشابه دارد. دانستن غیر قابل مقایسه بودن یک فولاد اهمیتی همانند دانـستن قابـل مقایـسه بودن آن دارد. در غیر این صورت، زمان زیادی باید صرف یافتن چیزی شود که وجود ندارد.

معیارهای مقایسه فولادها

مراجع و کتابهایی که جداولی برای مقایسه فولادها دارند، از روش های خاصی برای این منظور استفاده می کنند. عمومـا دو معیـار خـواصمکانیکی و ترکیب شیمیایی بیشترین کاربرد را دارند. برای هر گرید فولاد، عموما تنها یک ترکیب شیمیایی وجود دارد که این ویژگی باعث می گردد به عنوان معیاری ایده آل جهت مقایسه به کار رود. از سوی دیگر چند نوع خواص مکانیکی( استحکام تسلیم، اسـتحکام کشـشی ، سختی و .. ) وجود دارند که می توانند مبنای مقایسه قرارگیرند که معمولا استحکام کششی به عنوان معیار دوم انتخاب می گردد.

پس از انتخاب این دو معیار اصلی، قدم بعدی این است که آیا معیار اول انتخاب شود ؟یا از معیار دوم استفاده گردد؟ یا هر دو معیار بـه کـارروند ؟
از آنجایی که فولادهای کربنی معمولا بر اساس خواص مکانیکیشان انتخاب می شوند، استحکام کششی به عنوان اولین معیـار انتخـاب بـه کار می رود. به همین ترتیب در مورد فولادهای آلیاژی و زنگ نزن و به دلیل انتخاب آنها بر اساس ترکیب شیمیایی، از ترکیب شیمیایی بـه عنوان معیار انتخاب و مقایسه استفاده می گردد .
یکی از استثنائات این روش در مورد فولادهای سازه ای ( Structural Steel ) است چون از استحکام کششی به عنوان معیـار اصـلی مقایسه فولادهای آلیاژی و کربنی استفاده می گردد. این معیار از این روی به کـار مـی رود چـون ایـن رده از فولادهـا بـر مبنـای خـواص مکانیکی آنها انتخاب شده و به کار برده می شوند.

قابل ذکر است که روشی کاملا اثبات شده برای مقایسه وجود ندارد. بعنوان مثال ASTM A 958 Grade SC4330 یک ترکیب شیمیایی دارد اما بر اساس انواع عملیات حرارتی دارای ۱۳ نوع استحکام است . پس به دلیل اینکه دو گرید فـولاد ترکیـب شـیمیایی قابـلمقایسه دارند نمی توان گفت که آن دو گرید در خواص مکانیکی قابل مقایسه هستند و بالعکس .
به عبارت دیگر استفاده از کتابها و مراجع جهت یافتن فولادهای مشابه تنها قدم اول دریافتن فولاد مناسب جهت کاربرد مورد نظر است.

 

مرجع :

۱- Handbook of Comparative World Steel Standards, ASTM DS67A, Lite E-book,2nd ed.  ASTM International, 2004

نویسنده: آقای مهندس کامران خداپرستی

طراحی و پشتیبانی : آسان پرداز