فولاد ST52 یک فولاد ساختمانی کم آلیاژ با مقاومت استحکام بالا است که بر اساس استاندارد آلمانی DIN 17100 تولید شده است. این فولاد که به دلیل قابلیت جوشکاری، چقرمگی مناسب و استحکام متوسط خود شناخته میشود، در صنایعی چون ساختمانسازی، ماشینکاری و خودروسازی و صنایع نفت و گاز به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد. با توجه به این که نامگذاری بر اساس استاندارد گفته شده منسوخ شده است، ST52 با گریدهای معادل در استاندارد اروپایی EN 10025 جایگزین شده است. گریدهای معادل این فولاد در استاندارد اروپایی شامل S355JR، S355J2 و S355K2 با ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی معادل ST52 میشود. با این حال، همچنان ST52 با توجه به خواص مناسبش یک طراحی ایدهآل به شمار میرود. از دیگر معادلهای این فولاد میتوان به ASTM A572 Gr.50 نیز اشاره کرد.
همانطور که گفته شد ST52 یک فولاد کم آلیاژ دارای منگنز است و در برخی کاربردها دارای مقادیر محدودی (05%/0 ≥) از عناصر آلیاژی Nb، V و Ti است که به افزایش استحکام و چقرمگی این آلیاژ کمک میکنند. مقدار کم کربن در این آلیاژ موجب ایجاد قابلیت جوشکاری مناسب بدون نیاز به پیشگرمایش در اکثر موارد میگردد. همچنین منگنز نیز تعادلی میان استحکام و چقرمگی برقرار میسازد. ترکیب شیمیایی ST52، S355JR، S355J0، S355J2 و S355K2 مطابق استانداردهای DIN 17100 و EN 10025-2 در جدول 1 آورده شده است.
ترکیب شیمیایی فولاد ST52، S355JR، S355J0، S355J2 و S355K2
| عنصر گرید | کربن | منگنز | سیلیسیوم | فسفر | گوگرد | نیتروژن | مس |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ST52 | 20/0 ≥ | 60/1 ≥ | 55/0 ≥ | 040/0 ≥ | 040/0 ≥ | - | - |
| S355JR | 24/0 ≥ | 60/1 ≥ | 55/0 ≥ | 035/0 ≥ | 035/0 ≥ | 012/0 ≥ | 55/0 ≥ |
| S355J0 | 20/0 ≥ | 60/1 ≥ | 55/0 ≥ | 030/0 ≥ | 030/0 ≥ | 012/0 ≥ | 55/0 ≥ |
| S355J2 | 20/0 ≥ | 60/1 ≥ | 55/0 ≥ | 025/0 ≥ | 025/0 ≥ | - | 55/0 ≥ |
| S355K2 | 20/0 ≥ | 60/1 ≥ | 55/0 ≥ | 025/0 ≥ | 025/0 ≥ | - | 55/0 ≥ |
تمامی گریدهای یاد شده در جدول 1 خواص مکانیکی مشابهی دارند و تنها تفاوت در انرژی ضربه آنها است. مقادیر خواص مکانیکی و انرژی ضربه به ترتیب در جدول 2 و جدول 3 آورده شده است.
خواص مکانیکی فولاد ST52
| خواص | استحکام تسلیم (MPa) | استحکام نهایی (MPa) | ازدیاد طول | سختی (HB) |
|---|---|---|---|---|
| ST52 | 355 | 630 - 490 | % 25 - 20 | 210 - 170 |
انرژی ضربه گرید های مختلف معادل با ST52
| خواص | S355JR | S355J0 | S355J20 | S355K20 |
|---|---|---|---|---|
| انرژی ضربه (J) | 27 | 27 | 27 | 40 |
گرید S355JR معمولترین گرید این فولاد و مناسب برای استفاده در کاربردهای عمومی و دمای اتاق (20+ درجه سلسیوس) است. S355J0 در دمای صفر درجه سلسیوس مقاومتر است. همچنین گریدهای S355J20 و S355K20 مناسب برای استفاده در دمای 20- درجه سلسیوس بوده و K2 انرژی بیشتری را جذب میکند.
فولاد ST52 عموما در شرایط نورد گرم شده و نرمال شده مورد استفاده قرار میگیرد، اما با توجه به شرایط مورد نیاز میتوان عملیات حرارتیهای مختلفی را بر آن اعمال کرد. عملیات نرمالایزینگ برای این فولاد در دمای 850 الی 900 درجه سلسیوس انجام میشود و ST52 در این شرایط دانهبندی اصلاح شده و چقرمگی مناسبی دارد و عموما این عملیات حرارتی پیش از جوشکاری یا ماشینکاری انجام میگیرد. عملیات تنشگیری در دمای 530 الی 580 درجه سلسیوس منجر به آزاد شدن تنشهای پسماند پس از جوشکاری یا کارسرد میگردد. عملیات کوئنچ-تمپر نیز عملیات رایجی برای این فولاد نیست، زیرا این فولاد برای کاربردهای با سختی مورد نیاز بسیار بالا طراحی نشده است، با این حال میتواند استحکام آن را مقداری کمی افزایش دهد. عموما به جای عملیاتهای سختکاری عمقی، روشهای سختکاری سطحی برای این فولاد مورد استفاده قرار میگیرد.
بیشتر بخوانید: ویژگی ها و مقایسه فولاد St37 با St52
برای فولاد ST52 معمولاً از روشهای سختکاری سطحی برای افزایش مقاومت به سایش و خستگی استفاده میشود، در حالی که هستهی داخلی خاصیت چقرمه خود را حفظ میکند. یکی از روشهای پرکاربرد، سختکاری القایی است که در آن با اعمال میدان مغناطیسی متغیر، سطح فولاد به سرعت تا دمای بالاتر از آستنیت شدن (حدود 820 الی 900 درجه سلسیوس) گرم میشود و بلافاصله با آب یا محلول پلیمری کوئنچ میشود. این فرایند باعث تشکیل لایه مارتنزیت روی سطح با سختی حدود ۵۵ تا ۶۰ راکولسی میشود، در حالی که ساختار داخلی فولاد بدون تغییر باقی میماند. عمق لایه سختشده معمولاً بین 5/1 تا ۲ میلیمتر است و این پارامتر به شدت به متغیرهایی مانند توان القایی، فرکانس، زمان گرمایش و طراحی کویل وابسته است. مطالعات نشان دادهاند که حتی تغییرات کوچک در این پارامترها میتواند تأثیر چشمگیری روی عمق سختی و رفتار خستگی قطعه داشته باشد. از طرفی، اجرای این فرایند بر روی قطعات با هندسه پیچیده مانند چرخدنده باعث ایجاد «اثر لبه» میشود؛ برای کاهش این مشکل، از تمرکزدهندههای شار و طراحی بهینهی کویل و شبیهسازیهای FEM استفاده میشود. سختکاری القایی تنشهای پسماند فشاری سطحی ایجاد میکند که مقاومت خستگی را تا ۲۰% بهبود میبخشد، بهویژه اگر پس از آن فرایند شاتپینیگ انجام شود.
در مقابل، روش مؤثر دیگر، نیتریداسیون (گازی یا پلاسما) است که در دمای پایین (۵۰۰ الی۵۳۰ درجه سلسیوس) و در مدت طولانی (۱۰ تا ۶۰ ساعت) صورت میگیرد. در این فرایند، نیتروژن وارد سطح فولاد شده و ترکیبات سخت اکسید-نیتریدی مثل ε‑Fe2-3N و γ′‑Fe4N تشکیل میدهد و سطحی با سختی بالا (حدود ۹۰۰ الی ۱۱۰۰ ویکرز معادل ۶۵ الی ۷۰ راکولسی) ایجاد میکند، در حالی که هسته فولاد بدون تغییر میماند. عمق لایه قابل نفوذ معمولاً بین 2/0 تا 6/0 میلیمتر است. نیتریداسیون پلاسما کنترل بسیار دقیقتری روی ضخامت و مورفولوژی لایه ایجاد میکند و تقریباً هیچ اعوجاج حرارتی به همراه ندارد. این روش باعث افزایش قابل توجه مقاومت خستگی و سایش میشود، بهویژه برای فولادهایی مانند S355 که فاقد عناصر نیتریدکننده قوی هستند، اما با این حال بهبود حد خستگی تا 50 الی 90 درصد قابل مشاهده است. همچنین ایجاد تنشهای پسماند فشاری در سطح مانع گسترش ترکهای خستگی میشود و سطح محافظ است. اغلب پس از نیتریداسیون، لایه سفید شکننده روی سطح برداشته میشود تا عملکرد پوشش بهینه باشد.
علاوه بر این دو روش، روشهای دیگری مانند سختکاری شعلهای، سختکاری لیزر، کربورایزینگ و پرتو الکترونی نیز قابل استفاده هستند، هرچند برای ST52 کمتر رایجاند. سختکاری شعلهای برای قطعات بزرگ با شکل ساده بهکار میرود و لیزر برای قطعات دقیق مناسب است؛ هرچند عمق لایه ایجادشده در آنها کوچکتر ولی بسیار دقیق است.
در مجموع، انتخاب روش سختکاری به کاربرد و نیاز قطعه بستگی دارد. اگر هدف افزایش عمق سختی و ایجاد تنش فشاری مطلوب در سطح باشد، سختکاری القایی مناسبتر است؛ اگر سطح سخت با حداقل تغییرات هندسی مدنظر است، نیتریداسیون گزینهای ایدهآل است. هر دو روش بدون کاهش چقرمگی هسته، موجب بهبود مقاومت سایش و خستگی میشوند و بر اساس شرایط کاربرد، یکی بر دیگری ترجیح داده میشود.
فولاد ST52 یا S355 به دلیل مقاومت نسبتاً پایین در برابر خوردگی اتمسفری، بهویژه در محیطهای مرطوب و دریایی، معمولاً با پوششهای محافظتی پوشانده میشود تا دوام آن افزایش یابد. رایجترین روش، سیستم سهلایه رنگ شامل پرایمر غنی از روی، لایه میانی اپوکسی و پوشش نهایی پلییورتان یا آکریلیک است که سد مؤثری در برابر نفوذ رطوبت و اشعه UV ایجاد میکند. در سازههای بیرونی مانند پلها و خطوط لوله، گالوانیزه گرم روشی مقرونبهصرفه برای محافظت طولانیمدت محسوب میشود، زیرا لایه روی حتی در صورت خراشیدگی نیز خاصیت حفاظتی خود را حفظ میکند. برای قطعات صنعتی و خودرو که نیاز به ظاهر تزئینی و مقاومت در برابر خوردگی دارند، پوششهای پودری یا فلکینگ روی استفاده میشود که علاوه بر محافظت عالی، خطر تردی هیدروژنی ندارند. در محیطهای دریایی و بسیار خورنده نیز از اسپری حرارتی فلزات مانند Zn/Al، سیستمهای چندلایه و حتی حفاظت کاتدی برای لولهها و مخازن دفنی بهره گرفته میشود تا دوام و مقاومت خوردگی به حداکثر برسد.
فولاد ST52 به دلیل ترکیب متعادل استحکام، چقرمگی و قابلیت جوشکاری عالی، به طور گسترده در مهندسی سازه و مکانیک مورد استفاده قرار میگیرد. از کاربردهای رایج آن میتوان به ساخت پلها، ساختمانها، سکوهای دریایی، همچنین مخازن تحت فشار، خطوط لوله و قطعات ماشینآلات مانند شفتها، محورها، شاتونها و فریمهای خودرویی اشاره کرد. این فولاد بهویژه در تجهیزات سنگین مانند جرثقیلها و ماشینآلات صنعتی که نیاز به تحمل بار بالا و چقرمگی مناسب دارند، ارزشمند است. مزایای این فولاد شامل مقرونبهصرفه بودن برای پروژههای سازهای، سهولت ساخت و ساز، و سازگاری با انواع پوششها و عملیاتهای سطحی است. با این حال، مقاومت خوردگی متوسط آن نیازمند استفاده از پوششهای محافظ در محیطهای خورنده یا دریایی است و به دلیل قابلیت سختشوندگی محدود، امکان دستیابی به سختی بالا در تمام ضخامت مقطع وجود ندارد؛ بنابراین برای کاربردهای سایشپذیر، نیاز به عملیات سختکاری سطحی دارد.