مقدار کربن و خواص فولاد: نردبان کربن

نردبان در یک نگاه

باند کربن	ویژگی	کاربردهای معمول
بسیار کم — زیر 0.10%	نرم، به‌شدت شکل‌پذیر، بدون اقدامات احتیاطی جوش می‌خورد	ورق کشش عمیق، نوار، سیم، پرچ‌ها؛ فولادهای بدون عناصر بین‌نشین (IF) در پایین این باند قرار دارند
کم — 0.10–0.25%	اسب کاری سازه‌ای جوش‌پذیر: شکل‌پذیری خوب، استحکام متوسط، پاسخ سخت‌شدن محدود	مقاطع و ورق سازه‌ای (محدوده S235–S355), لوله، ساخت عمومی
متوسط — 0.25–0.60%	به کوئنچ و تمپر به‌شدت پاسخ می‌دهد؛ باند ماشین‌آلات	شفت‌ها، چرخ‌دنده‌ها، محورها: C45/1045 در حدود 0.45%, 4140 در حدود 0.40%
بالا — 0.60–1.00%	فنرها، قطعات سایشی و لبه‌های برش؛ جوشکاری به یک رویه تخصصی تبدیل می‌شود	فولادهای فنر (تقریبا 0.5–0.8%), فولادهای ریل، سیم‌بکسل، چاقوها
بسیار بالا — بالای 1.00%	حداکثر حجم کاربید و سختی در وضعیت کوئنچ‌شده؛ بدون تمپر دقیق ترد است	فولادهای ابزار و قالب (D2 تقریبا 1.5% دارد)، سوهان‌ها، ریس‌های یاتاقان در حدود 1.0%

کربن چه چیزی را کنترل می‌کند

سقف سختی. کربن حداکثر سختی‌ای را تعیین می‌کند که یک فولاد هنگام کوئنچ کامل می‌تواند به آن برسد. این رابطه در ابتدا تند است، سپس اشباع می‌شود: یک فولاد با حدود 0.20% کربن در بهترین حالت به تقریبا 45 HRC می‌رسد، در حالی که فولادی با حدود 0.60% کربن می‌تواند به میانه 60 HRC برسد. فراتر از تقریبا 0.6–0.8%, کربن اضافی کاربیدهای مقاوم به سایش اضافه می‌کند، نه سختی بالاتر.

عمق سخت‌شدن پرسش متفاوتی است. اینکه آن سختی چقدر عمیق نفوذ می‌کند — سختی‌پذیری — با منگنز، کروم، مولیبدن یا ردپای بور خریده می‌شود، نه با کربن. اشتباه گرفتن این دو یک خطای کلاسیک در مشخصات است: یک فولاد ساده پرکربن ممکن است همچنان چند میلی‌متر زیر سطح یک مقطع ضخیم نرم شود.

جوش‌پذیری در جهت مخالف حرکت می‌کند. با بالا رفتن کربن، ناحیه متاثر از حرارت بیشتر سخت می‌شود و راحت‌تر ترک می‌خورد. صنعت این را با معادل کربن بیان می‌کند که رایج‌ترین آن فرمول IIW یعنی CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15 است. فولادهای با CE پایین آزادانه جوش می‌خورند؛ با بالا رفتن CE به بالای تقریبا 0.40–0.45, پیش‌گرم، حرارت ورودی کنترل‌شده و رویه کم‌هیدروژن لازم می‌شوند — و به همین دلیل است که گریدهای سازه‌ای کربن را به‌خوبی در داخل باند کم محدود می‌کنند.

چقرمگی و شکل‌پذیری به‌طور پیوسته در نردبان افت می‌کنند: ازدیاد طول و انرژی ضربه در یک استحکام معین در باندهای کم‌کربن بالاترین هستند و فولادهای پرکربن سختی خود را با تردی به دست می‌آورند که تمپر باید سپس آن را بازخرید کند.

انتخاب یک پله

قاعده کاری این است که بیشتر از آنچه کاربرد مصرف می‌کند کربن نخرید. سازه‌های جوش‌داده‌شده پایین می‌مانند؛ قطعاتی که سخت‌شده سرتاسری و تمپر خواهند شد در باند متوسط زندگی می‌کنند؛ فقط قطعاتی که با سایش یا عمر لبه پرداخت می‌شوند — فنرها، ریل‌ها، ابزارها — پله‌های بالا و هزینه‌های ساخت آن‌ها را توجیه می‌کنند. نام گریدها اغلب پاسخ را در خود پنهان می‌کنند: در نام‌هایی مانند C45, 1045 یا S45C, این عدد کربن اسمی بر حسب صدم درصد است.