فولاد 1.7035

فولاد 41Cr4 که با شماره استاندارد 1.7035 در استاندارد اروپایی شناخته می‌شود، یک فولاد ساختمانی آلیاژی عملیات‌حرارتی پذیر با کربن متوسط و حاوی کروم است که نقش مهمی در صنایع مهندسی مکانیک و خودروسازی دارد. این فولاد که برای شکل‌دهی اولیه به محصولات کارپذیر طراحی شده، از نوع کم‌آلیاژ و قابل سختکاری با عملیات کوئینچ است و به‌عنوان گزینه‌ای اقتصادی، فاصله بین فولادهای ساده کربنی و فولادهای ابزار پرآلیاژ و گران‌قیمت را پر می‌کند.

این آلیاژ با دارا بودن حدود 0.38 تا 0.45 درصد کربن و 0.90 تا 1.20 درصد کروم، قابلیت ایجاد ساختار مارتنزیتی در هنگام سرد شدن سریع را دارد که منجر به چقرمگی مناسب، استحکام کششی متوسط تا بالا و مقاومت سایشی خوب پس از عملیات حرارتی می‌شود. همچنین، قابلیت سخت‌پذیری آن به‌گونه‌ای است که برای قطعاتی با قطر تا حدود 40 میلی‌متر، امکان سختکاری کامل در روغن را فراهم می‌کند.

به همین دلیل، فولاد 7035 اغلب به‌عنوان جایگزینی مقرون‌به‌صرفه برای کاربردهایی با نیاز استحکامی کمی کمتر از فولادهای آلیاژی بالاتر مانند 42CrMo4 استفاده می‌شود. علاوه بر این، ریزساختار این فولاد امکان انجام انواع عملیات‌های سطحی و پوشش‌دهی پیشرفته را فراهم کرده و آن را به گزینه‌ای مناسب برای تولید قطعاتی مانند میل‌لنگ، سگدست، محورهای نیمه سنگین، شاتون و چرخ‌دنده‌های انتقال قدرت تبدیل کرده است؛ قطعاتی که به سطحی سخت و مقاوم در برابر سایش و هسته‌ای نرم و ضربه‌پذیر نیاز دارند.

فولاد 41Cr4 با شماره 1.7035 یکی از آلیاژهای مهم و پرکاربرد در صنایع متالورژی و مهندسی در سطح جهانی است که در چارچوب استانداردهای بین‌المللی مختلف به‌طور گسترده شناسایی و طبقه‌بندی شده است. استاندارد اصلی حاکم بر ترکیب شیمیایی، شرایط تحویل و آزمون خواص مکانیکی این فولاد، استاندارد اروپایی EN 10083-3 است که به فولادهای مناسب برای عملیات کوئینچ و تمپر اختصاص دارد. به‌منظور تسهیل در مبادلات بین‌المللی، جایگزینی مواد و یکسان‌سازی مشخصات مهندسی، معادل‌های این فولاد در سیستم‌های استاندارد ملی مختلف تعریف شده‌اند؛ به‌طوری‌که این آلیاژ در آمریکا با نام 5140، در ژاپن با SCr440، در چین با 40Cr، در انگلستان با EN18 یا 530M40، در فرانسه با 42C4 و در روسیه با 40X شناخته می‌شود [1].

با وجود تفاوت در نام‌گذاری و استانداردها، ترکیب شیمیایی این فولاد در تمامی این سیستم‌ها اساساً یکسان است و در نتیجه رفتار ترمومکانیکی آن مستقل از محل تولید، پایدار و قابل پیش‌بینی باقی می‌ماند. با این حال، اختلافات جزئی در میزان عناصر ناخالصی مانند گوگرد و فسفر ممکن است بسته به فرآیند تولید یا نیاز به بهبود قابلیت ماشین‌کاری وجود داشته باشد. به‌عنوان مثال، گرید 41CrS4 (1.7039) با افزودن کنترل‌شده گوگرد به ساختار پایه 41Cr4 تولید می‌شود که هدف آن افزایش قابلیت ماشین‌کاری در عملیات برش با سرعت بالا است. در این نوع، گوگرد نقش مؤثری در شکستن براده‌ها ایفا کرده و موجب کاهش سایش ابزار و زمان ماشین‌کاری می‌شود، هرچند این بهبود با کاهش جزئی در چقرمگی ضربه‌ای، به‌ویژه در راستای عرضی، همراه است.

• ترکیب شیمیایی فولاد 7035 [1].

ترکیب شیمیایی فولاد 41Cr4 نقش تعیین‌کننده‌ای در ایجاد خواص مکانیکی مطلوب و قابلیت‌های فرآیندی گسترده آن دارد. هر یک از عناصر آلیاژی موجود در این فولاد به‌صورت مستقل و در عین حال به‌شکل هم‌افزا بر رفتار تحولات فازی، سخت‌پذیری و خواص نهایی آن تأثیر می‌گذارند. کربن به‌عنوان مهم‌ترین عنصر تقویت‌کننده، بیشترین تأثیر را بر سختی نهایی ساختار مارتنزیتی پس از عملیات کوئینچ دارد و حضور کنترل‌شده آن باعث ایجاد تعادل مناسبی میان استحکام و چقرمگی می‌شود. این مقدار به فولاد اجازه می‌دهد تا در حین سردکاری سریع، به ساختار مارتنزیتی کامل دست یابد و در عین حال از تردی بیش از حد و کاهش مقاومت ضربه‌ای جلوگیری شود. کروم به‌عنوان عنصر آلیاژی اصلی، با افزایش عمق سخت‌پذیری و کاهش سرعت تحولات نفوذی، امکان تشکیل مارتنزیت را در مقاطع ضخیم‌تر و با نرخ سرد شدن کمتر فراهم می‌کند. همچنین در مرحله تمپرینگ، کروم موجب تشکیل کاربیدهای پایدار و ریز می‌شود که نقش مهمی در افزایش مقاومت به سایش، پایداری حرارتی و استحکام در دماهای بالا دارند و تا حدی مقاومت به خوردگی را نیز بهبود می‌بخشند [2].

منگنز نیز در کنار کروم، به‌عنوان پایدارکننده آستنیت و تقویت‌کننده سخت‌پذیری عمل کرده و با تأخیر در تحولات فازی، نفوذ مارتنزیت را در عمق قطعه افزایش می‌دهد. علاوه بر این، در فرآیند تولید فولاد نقش مهمی در اکسیژن‌زدایی و گوگردزدایی داشته و با تشکیل ترکیبات پایدار، از ایجاد عیوبی مانند تردی گرم جلوگیری می‌کند. سیلیسیم عمدتاً به‌عنوان عنصر اکسیژن‌زدا در مرحله ذوب عمل کرده و در حالت جامد نیز با حل شدن در ساختار فریتی، موجب افزایش استحکام پایه می‌شود. در مقابل، عناصری مانند گوگرد و فسفر به‌عنوان ناخالصی‌های مضر شناخته شده و میزان آن‌ها به‌دقت کنترل می‌شود، زیرا حضور بیش از حد آن‌ها می‌تواند باعث کاهش چقرمگی، ایجاد تردی و افت خواص مکانیکی شود. در مجموع، تنظیم دقیق این عناصر در کنار یکدیگر، عامل اصلی دستیابی به ریزساختار مطلوب و عملکرد قابل پیش‌بینی این فولاد در کاربردهای صنعتی است [3, 4].

خواص مکانیکی فولاد 41Cr4 به‌طور مستقیم به ضخامت یا قطر قطعه در زمان عملیات حرارتی وابسته است، زیرا نرخ سرد شدن در سطح بسیار بیشتر از مرکز بوده و این موضوع بر میزان تشکیل فاز مارتنزیت در مقاطع مختلف تأثیر می‌گذارد. بر اساس استاندارد EN 10083-3 و در حالت کوئینچ و تمپر، برای قطعات با قطر حداکثر 16 میلی‌متر، حداقل استحکام تسلیم حدود 800 مگاپاسکال و استحکام کششی بین 1000 تا 1200 مگاپاسکال است، در حالی که ازدیاد طول حداقل 11 درصد، کاهش سطح مقطع حداقل 30 درصد و انرژی ضربه حداقل 35 ژول می‌باشد. سختی این محدوده نیز بین 298 تا 359 برینل قرار دارد. با افزایش قطر به بازه 16 تا 40 میلی‌متر، استحکام تسلیم به حداقل 660 مگاپاسکال و استحکام کششی به محدوده 900 تا 1100 مگاپاسکال کاهش می‌یابد، اما ازدیاد طول به حداقل 12 درصد و کاهش سطح مقطع به حداقل 35 درصد افزایش پیدا می‌کند و سختی در بازه 271 تا 331 برینل قرار می‌گیرد. برای مقاطع ضخیم‌تر تا حدود 100 میلی‌متر، استحکام تسلیم به حداقل 560 مگاپاسکال و استحکام کششی به 800 تا 950 مگاپاسکال کاهش یافته، در حالی که ازدیاد طول به حداقل 14 درصد و کاهش سطح مقطع به حداقل 40 درصد می‌رسد و سختی نیز به محدوده 240 تا 286 برینل کاهش پیدا می‌کند؛ با این حال انرژی ضربه در تمامی این شرایط حداقل 35 ژول باقی می‌ماند.

در حالت آنیل نرم که بیشتر برای ماشین‌کاری یا شکل‌دهی سرد استفاده می‌شود، سختی فولاد به کمتر از 241 برینل کاهش یافته و معمولاً در محدوده 190 تا 220 برینل قرار دارد. از نظر خواص فیزیکی، این فولاد دارای چگالی حدود 7.85 گرم بر سانتی‌متر مکعب، مدول الاستیسیته 210 گیگاپاسکال، مدول برشی 80 گیگاپاسکال و ضریب پواسون 0.3 است. همچنین هدایت حرارتی آن بین 40 تا 45 وات بر متر کلوین بوده و ضریب انبساط حرارتی آن حدود 10^-6 × 12 بر کلوین در بازه دمایی 20 تا 300 درجه سانتی‌گراد است. ظرفیت گرمایی ویژه این فولاد در محدوده 460 تا 480 ژول بر کیلوگرم کلوین قرار داشته و مقاومت الکتریکی آن نیز در دمای محیط حدود 0.20 تا 0.25 میکرو اهم متر گزارش می‌شود.

عملیات حرارتی فولاد 1.7035 (41Cr4) به‌طور کامل بر پایه کنترل دقیق ریزساختار داخلی از طریق سیکل‌های حرارتی مهندسی‌شده انجام می‌شود و دستیابی به خواص مکانیکی مطلوب، مستقیماً به درک عمیق ترمودینامیک و سینتیک تحولات فازی وابسته است. مهندسان عملیات حرارتی باید این تحولات را به‌گونه‌ای کنترل کنند که ضمن رسیدن به خواص هدف، از بروز ترک‌های حرارتی و اعوجاج ابعادی جلوگیری شود. بر اساس مدل‌های پیشرفته و داده‌های تجربی، دماهای بحرانی این فولاد شامل شروع آستنیتی شدن در 735 درجه سانتی‌گراد، پایان آن در 790 درجه سانتی‌گراد و شروع تشکیل مارتنزیت در حدود 320 درجه سانتی‌گراد است. برای آماده‌سازی اولیه ماده جهت ماشین‌کاری سنگین یا شکل‌دهی سرد، از عملیات آنیل نرم استفاده می‌شود. در این فرآیند، فولاد به‌طور یکنواخت تا محدوده زیر بحرانی 670 تا 720 درجه سانتی‌گراد گرم شده و پس از نگهداری در این دما برای همگن‌سازی ساختار، به‌آرامی در کوره یا در هوای ساکن سرد می‌شود. این عملیات باعث کروی شدن کاربیدهای سمانته تی لایه‌ای در زمینه فریتی شده و آن‌ها را به ذرات کروی مجزا تبدیل می‌کند، که نتیجه آن ایجاد ساختاری نرم با قابلیت ماشین‌کاری بسیار بالا، کاهش سایش ابزار و بهبود کیفیت سطح قطعه است. در مقابل، فرآیند نرماله کردن در دمایی بالاتر از محدوده آستنیتی کامل، یعنی حدود 840 تا 880 درجه سانتی‌گراد انجام شده و با سرد شدن در هوا همراه است. هدف از این عملیات، تبلور مجدد و ریزدانه کردن ساختار، حذف اثرات ناهمگن ناشی از فرآیندهایی مانند فورج یا نورد گرم و ایجاد یک ریزساختار یکنواخت به‌عنوان پایه برای عملیات سختکاری بعدی است.

اصلی‌ترین عملیات حرارتی برای دستیابی به حداکثر کارایی این فولاد، سیکل کوئینچ و تمپر است. در مرحله آستنیتی کردن، فولاد تا محدوده 820 تا 860 درجه سانتی‌گراد حرارت داده می‌شود تا کاربیدهای موجود به‌طور کامل در زمینه آستنیتی با ساختار مکعبی وجوه‌مرکزپر (FCC) حل شوند. نگهداری در این دما معمولاً حداقل 30 دقیقه انجام می‌شود تا یکنواختی دما و نفوذ کربن به‌طور کامل صورت گیرد. سپس قطعه به‌سرعت در محیطی مانند روغن سرد می‌شود. به دلیل حضور هم‌زمان کروم و منگنز که سخت‌پذیری را افزایش می‌دهند، این فولاد قابلیت سختکاری کامل در مقاطع نسبتاً ضخیم (تا حدود 40 میلی‌متر) را با استفاده از کوئینچ در روغن دارد. استفاده از روغن نسبت به آب باعث کاهش شدت سرد شدن و در نتیجه کاهش خطر ترک‌های حرارتی، اعوجاج و تغییر شکل قطعه می‌شود. پس از کوئینچ، ریزساختار فولاد تقریباً به‌طور کامل از مارتنزیت تتراگونال مرکزپر (BCT) تشکیل شده است که بسیار سخت اما ترد و دارای تنش‌های داخلی بالا است. به همین دلیل، عملیات تمپر بلافاصله پس از کوئینچ انجام می‌شود و معمولاً در محدوده دمایی 540 تا 680 درجه سانتی‌گراد صورت می‌گیرد. در طی تمپرینگ، اتم‌های کربن از شبکه فوق اشباع مارتنزیت خارج شده و ابتدا به‌صورت کاربیدهای انتقالی بسیار ریز مانند کاربید اپسیلون و سپس به سمانتیت پایدار (Fe₃C) و کاربیدهای پیچیده کروم‌دار رسوب می‌کنند. با افزایش دمای تمپر، استحکام کششی، استحکام تسلیم و سختی به‌تدریج کاهش می‌یابد، در حالی که ازدیاد طول، چقرمگی ضربه‌ای، کاهش سطح مقطع و اندازه دانه مؤثر افزایش پیدا می‌کند. این ویژگی اجازه می‌دهد تا با انتخاب دمای تمپر مناسب، تعادل دقیقی بین استحکام و چقرمگی برای کاربرد مورد نظر ایجاد شود [5].

مهندسی سطح پیشرفته در فولاد 41Cr4 به‌منظور بهبود عملکرد آن در شرایط کاری بسیار سخت، به‌ویژه در محیط‌های سایشی و خورنده، اهمیت ویژه‌ای دارد. اگرچه خواص مکانیکی حاصل از عملیات کوئینچ و تمپر استحکام و ظرفیت باربری بالایی فراهم می‌کند، اما در بسیاری از کاربردهای صنعتی مدرن، این ویژگی‌ها به‌تنهایی کافی نیستند. به همین دلیل، این فولاد قابلیت بالایی برای پذیرش طیف گسترده‌ای از عملیات‌های سطحی، از سختکاری موضعی حرارتی گرفته تا پوشش‌دهی‌های پیشرفته به روش‌های رسوب‌دهی بخار، دارد. انتخاب روش مناسب کاملاً به شرایط کاری قطعه، میزان سایش، نوع بارگذاری، محیط خورنده و محدودیت‌های ابعادی بستگی دارد.

در روش‌های سختکاری سطحی حرارتی، ساختار سطحی فولاد بدون تغییر ترکیب شیمیایی کلی آن، از طریق گرم و سرد کردن سریع تغییر می‌کند. در سختکاری القایی، با عبور جریان الکتریکی فرکانس بالا از سیم‌پیچ مسی، میدان مغناطیسی متغیری ایجاد می‌شود که جریان‌های گردابی شدیدی در سطح قطعه القا کرده و باعث گرم شدن سریع آن تا ناحیه آستنیتی می‌شود. سپس با کوئینچ سریع (معمولاً با آب یا پلیمر)، لایه سطحی به مارتنزیت سخت تبدیل می‌شود. این روش معمولاً سختی سطحی در محدوده 52 تا 54 راکول C ایجاد کرده و عمق سختکاری بین حدود 1 تا چند میلی‌متر قابل کنترل است. همچنین به‌دلیل انبساط حجمی ناشی از تشکیل مارتنزیت، تنش‌های فشاری پسماند در سطح ایجاد می‌شود که مقاومت به خستگی را به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد. در روش پیشرفته‌تر سختکاری لیزری، با استفاده از لیزرهای پرتوان، نواحی موضعی و پیچیده با دقت بسیار بالا گرم شده و به‌دلیل سرمایش سریع توسط جرم قطعه، ساختار مارتنزیتی بسیار ریزدانه و یکنواختی ایجاد می‌شود. این روش می‌تواند سختی‌هایی بالاتر از حدود 700 ویکرز (نزدیک به 60 راکول C) ایجاد کند، در حالی که اعوجاج حرارتی بسیار ناچیز بوده و نیاز به عملیات تکمیلی را کاهش می‌دهد [6].

در عملیات‌های ترموشیمیایی نفوذی، عناصر غیرفلزی مانند نیتروژن یا کربن به داخل ساختار فولاد نفوذ داده می‌شوند. در نیتراسیون گازی یا پلاسمایی که در دماهای نسبتاً پایین انجام می‌شود، لایه‌ای بسیار سخت شامل فازهای نیترید آهن در سطح و ناحیه نفوذی غنی از نیتریدهای کروم در زیر آن تشکیل می‌شود. نیتراسیون پلاسمایی به‌دلیل کنترل دقیق‌تر، سختی‌هایی حتی بیش از 1000 ویکرز ایجاد کرده و مقاومت بسیار بالایی در برابر سایش و خستگی سطحی فراهم می‌کند، هرچند در صورت کنترل نامناسب، خطر کربن‌زدایی سطحی و کاهش مقاومت وجود دارد. در فرآیندهای کربوره و کربن-نیتراسیون، کربن و نیتروژن به‌طور همزمان در دماهای بالا به سطح نفوذ می‌کنند و لایه‌ای با مقاومت سایشی بسیار بالا ایجاد می‌شود. همچنین فرآیندهای ترکیبی مانند بوروکربورایزینگ با ایجاد لایه‌های گرادیانی، اختلاف سختی بین سطح و مغز را کاهش داده و از جداشدگی پوشش جلوگیری می‌کنند. در فرآیند بوردهی نیز با نفوذ اتم‌های بور در دماهای بالا، لایه‌ای بسیار سخت با ساختار بوراید آهن تشکیل می‌شود که سختی آن می‌تواند به محدوده 1500 تا 2000 ویکرز برسد، هرچند به‌دلیل تردی بالا ممکن است نیاز به عملیات تکمیلی برای بهبود چقرمگی داشته باشد [7, 8].

پوشش‌دهی به روش‌های رسوب‌دهی بخار (PVD و CVD) نیز برای ایجاد لایه‌های بسیار نازک اما مهندسی‌شده روی سطح فولاد استفاده می‌شود. پوشش‌های DLC (کربن شبه‌الماسی) که دارای ساختاری ترکیبی از پیوندهای الماسی و گرافیتی هستند، ضریب اصطکاک بسیار پایینی ایجاد کرده و مقاومت سایشی بالایی دارند. برای بهبود چسبندگی این پوشش‌ها، معمولاً یک لایه میانی مانند نیتریدهای کروم-آلومینیوم-سیلیسیم استفاده می‌شود. همچنین پوشش‌های نانوساختاری مانند TiN یا پوشش‌های چندلایه پیشرفته، مقاومت بالایی در برابر سایش چسبنده ایجاد می‌کنند و کیفیت آن‌ها به وضعیت عملیات حرارتی زیرلایه وابسته است. برای کاربردهای سنگین صنعتی، پوشش‌های ضخیم‌تر مانند پاشش حرارتی HVOF یا آبکاری کروم سخت استفاده می‌شوند. در روش HVOF، ذرات پودری با سرعت بسیار بالا به سطح پرتاب شده و پوششی متراکم و مقاوم ایجاد می‌کنند که مقاومت سایشی آن چندین برابر کروم سخت است و در عین حال مشکلات زیست‌محیطی و خطر تردی هیدروژنی را ندارد [9-11].

در نهایت، پوشش‌های تبدیلی شیمیایی و گالوانیکی نیز برای افزایش مقاومت به خوردگی و بهبود چسبندگی رنگ استفاده می‌شوند. فسفاته‌کاری با ایجاد لایه‌ای متخلخل، بستری مناسب برای پوشش‌های بعدی و نگهداری روانکارها فراهم می‌کند و در قطعات با استحکام بالا به‌جای آبکاری ترجیح داده می‌شود تا خطر تردی هیدروژنی حذف شود. سیاه‌کاری نیز با ایجاد لایه اکسیدی نازک، بیشتر جنبه محافظت موقت و ظاهری دارد. برای کاربردهای سازه‌ای در محیط‌های خورنده، گالوانیزه گرم به‌کار می‌رود که طی آن قطعه پس از آماده‌سازی کامل سطح، در حمام مذاب روی غوطه‌ور شده و لایه‌ای چندفازی و بسیار مقاوم در برابر خوردگی تشکیل می‌شود. این لایه با ساختار پیچیده خود، مقاومت طولانی‌مدت در برابر خوردگی، به‌ویژه در محیط‌های مرطوب و نمکی، را تضمین می‌کند.

در بررسی رفتار تخریب مواد، فولاد 41Cr4 به‌طور گسترده در شرایط بارگذاری سیکلی و دینامیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد، بنابراین عملکرد خستگی آن اهمیت بسیار بالایی دارد. مقاومت به خستگی این فولاد به‌شدت به نوع عملیات حرارتی، تنش‌های پسماند سطحی و ریزساختار نهایی وابسته است. در شرایط کرنش‌های پلاستیک موضعی بالا (بیش از حدود 0.1 درصد)، این فولاد دچار نرم‌شوندگی سیکلی می‌شود که ناشی از کاهش چگالی نابجایی‌ها و ادغام زیر‌دانه‌ها در ساختار است. همچنین رشد ترک خستگی در این فولاد از قانون پاریس تبعیت می‌کند و ضرایب آن به دمای تمپر وابسته هستند؛ به‌طوری‌که تمپر در دماهای پایین اگرچه استحکام کششی را افزایش می‌دهد، اما باعث رشد سریع‌تر ترک‌های خستگی به‌دلیل کاهش چقرمگی می‌شود، در حالی که تمپر در دماهای بالاتر با افزایش شکل‌پذیری، از گسترش سریع ترک جلوگیری می‌کند. وجود ناخالصی‌هایی مانند سولفیدهای منگنز و اکسیدها نیز به‌عنوان نقاط تمرکز تنش عمل کرده و محل آغاز ترک‌های خستگی هستند. از نظر سایش، فولاد 41Cr4 در حالت خام یا آنیل‌شده مقاومت متوسطی دارد و در برابر سایش‌های چسبنده و خراشان شدید عملکرد ضعیفی نشان می‌دهد؛ به‌طوری‌که در تماس با سطوح سخت، شیارهای عمیق، جداشدگی لایه‌های سطحی و ترک‌های زیرسطحی به‌سرعت ایجاد می‌شوند. اگرچه حضور کروم تا حدی مقاومت سایشی را بهبود می‌دهد، اما برای کاربردهای سنگین کافی نیست و نیاز به عملیات‌های سطحی مانند سختکاری یا پوشش‌دهی وجود دارد. در شرایط سایش ضربه‌ای، ریزدانه کردن ساختار (مثلاً از طریق فرآیندهای ریخته‌گری تحت فشار) می‌تواند رفتار شکست را از حالت ترد به پارگی نرم تغییر داده و عمر قطعه را افزایش دهد [12-17].

از نظر خوردگی، این فولاد به‌عنوان یک فولاد کم‌آلیاژ، در محیط‌های آبی به‌طور ذاتی مستعد خوردگی یکنواخت و موضعی است. در محیط‌های حاوی کلرید، مانند محلول‌های نمکی، لایه اکسیدی تشکیل‌شده روی سطح ناپایدار و متخلخل بوده و به‌سرعت تخریب می‌شود، که منجر به خوردگی حفره‌ای شدید می‌گردد. ساختار ریزدانه و فازهای مختلف نیز بر رفتار الکتروشیمیایی تأثیر دارند؛ به‌طوری‌که در ساختار تمپرشده، تشکیل پیل‌های گالوانیکی بین فریت و کاربیدها باعث تشدید خوردگی موضعی می‌شود. در محیط‌های حاوی CO₂، خوردگی یکنواخت تسریع شده و در حضور H₂S خطر ترک‌خوردگی ناشی از سولفید و نفوذ هیدروژن به‌شدت افزایش می‌یابد. استفاده از عملیات‌هایی مانند نیتراسیون می‌تواند با ایجاد لایه‌های پایدار سطحی، مقاومت به خوردگی را بهبود دهد. از سوی دیگر، در دماهای بالا، پدیده خزش به‌عنوان تغییر شکل تدریجی تحت بار ثابت ظاهر می‌شود و پایداری این فولاد عمدتاً به حضور کاربیدهای ریز و محلول جامد کروم وابسته است. با افزایش دما (به‌ویژه بالاتر از حدود 450 درجه سانتی‌گراد)، نابجایی‌ها راحت‌تر حرکت کرده و لغزش بین‌دانه‌ای و تشکیل حفرات خزش رخ می‌دهد. همچنین در اثر ماندگاری طولانی در دمای بالا، پدیده درشت‌شدن کاربیدها (Ostwald ripening) رخ داده که باعث کاهش استحکام و نرم شدن ساختار می‌شود. در چنین شرایطی، برای کاربردهای دمای بالا، استفاده از فولادهای آلیاژی پیشرفته‌تر با عناصر پایدارکننده کاربید مانند مولیبدن و وانادیم ضروری خواهد بود [18-22].

فولاد 41Cr4 به‌دلیل ترکیب منحصربه‌فردی از خواص مکانیکی قابل تنظیم و انعطاف‌پذیری بالا در فرآیندهای تولید، کاربرد بسیار گسترده‌ای در صنایع مختلف دارد. این فولاد به‌طور ویژه در صنایع خودروسازی، هوافضا و ماشین‌آلات سنگین برای ساخت قطعاتی که تحت بارگذاری دینامیکی و سیکلی شدید قرار دارند استفاده می‌شود؛ از جمله میل‌لنگ‌ها، سگدست‌ها، محورهای جلو، شاتون‌ها و اجزای سیستم انتقال قدرت که نیازمند مقاومت بالا در برابر خستگی و ضربه هستند. همچنین در ماشین‌آلات کشاورزی و عمرانی برای تولید قطعاتی مانند دیسک‌های مقاوم به سایش، پیچ و مهره‌های پرمقاومت و شفت‌های انتقال نیرو کاربرد گسترده‌ای دارد. مهم‌ترین مزیت این فولاد، ایجاد تعادل بهینه بین استحکام مکانیکی بالا و هزینه اقتصادی مناسب است؛ به‌طوری‌که حضور کروم باعث افزایش سخت‌پذیری و استحکام شده و در عین حال مقدار کنترل‌شده کربن، چقرمگی و مقاومت به ضربه را حفظ می‌کند. علاوه بر این، سازگاری بسیار خوب این فولاد با انواع روش‌های مهندسی سطح، امکان بهینه‌سازی دقیق خواص سطحی متناسب با شرایط کاری مختلف را فراهم می‌کند.

با این حال، فولاد 41Cr4 دارای محدودیت‌هایی نیز هست که باید در طراحی و کاربرد مدنظر قرار گیرد. یکی از مهم‌ترین محدودیت‌ها، قابلیت جوشکاری نسبتاً ضعیف آن به‌دلیل مقدار بالای کربن معادل است، که می‌تواند در ناحیه متاثر از حرارت منجر به تشکیل مارتنزیت ترد و افزایش احتمال ترک شود؛ بنابراین انجام پیش‌گرم و عملیات حرارتی پس از جوشکاری ضروری است. همچنین سخت‌پذیری این فولاد محدود بوده و در مقاطع بزرگ، به‌ویژه بیش از حدود 40 میلی‌متر، امکان تشکیل ساختار یکنواخت مارتنزیتی در تمام ضخامت وجود ندارد و در مرکز قطعه فازهای نرم‌تری تشکیل می‌شود که استحکام کلی را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، در دماهای بالا و محیط‌های بسیار خورنده، عملکرد این فولاد محدود است و در چنین شرایطی استفاده از فولادهای آلیاژی پیشرفته‌تر توصیه می‌شود. با وجود این محدودیت‌ها، در محدوده کاربرد تعریف‌شده، فولاد 1.7035 همچنان یکی از مهم‌ترین و اقتصادی‌ترین مواد مهندسی در صنایع مدرن به‌شمار می‌رود.

منابع

[1]     BS EN 10083-3, Steels for quenching and tempering – Part 3: Technical delivery conditions for alloy steels, BSI, London, 2016.

[2]     M. Maalekian, “The effects of alloying elements on steels (I),” 2007.

[3]     N. Tomašić, W. Sitek, D. Iljkić, and W. F. Gemechu, “Designing the chemical composition of steel with required hardenability using computational methods,” Metals, vol. 14, no. 9, p. 1076, 2024.

[4]     T. Xia, Y. Ma, Y. Zhang, J. Li, and H. Xu, “Effect of Mo and Cr on the microstructure and properties of low-alloy wear-resistant steels,” Materials, vol. 17, no. 10, p. 2408, 2024.

[5]     A. Ismail, R. Zenasni, K. S. M. Amine, and S. Ahmed, “Effect of tempering temperature on the mechanical properties and microstructure of low alloy steel DIN 41Cr4,” JJMIE, vol. 13, no. 1, 2019.

[6]     S. P. Metage and J. S. Sidhu, “Optimization of process parameters in induction hardening of 41Cr4 steel by response surface methodology,” International Journal of Mechanical Engineering Research, vol. 7, no. 2, pp. 83–97, 2017.

[7]     A. Sharma and K. C. Swami, “A study of plasma nitriding process on the AISI 4140 steel,” Journal of Materials Science & Surface Engineering, vol. 1, no. 3, pp. 81–83, 2014.

[8]     M. Campos, S. d. Souza, J. P. Davim, S. D. d. Souza, and M. Olzon-Dionysio, “Influence of the gas pressure of plasma nitriding on the structural, mechanical and tribological surface properties of AISI 316L,” Materials Research, vol. 22, no. 4, p. e20190302, 2019.

[9]     A. P. Krelling, M. M. d. Souza, C. E. d. Costa, and J. C. G. Milan, “HVOF-sprayed coating over AISI 4140 steel for hard chromium replacement,” Materials research, vol. 21, p. e20180138, 2018.

[10]   S. Singh, C. C. Berndt, R. K. Singh Raman, H. Singh, and A. S. M. Ang, “Applications and developments of thermal spray coatings for the iron and steel industry,” Materials, vol. 16, no. 2, p. 516, 2023.

[11]   S. Yaqoob, J. A. Ghani, N. Jouini, and A. Z. Juri, “Performance evaluation of PVD and CVD multilayer-coated tools in machining high-strength Steel,” Coatings, vol. 14, no. 7, p. 865, 2024.

[12]   M. Maj, W. Moćko, K. Pietrzak, and A. Klasik, “Methodological conditionings of a modified low cycle fatigue method of tempered 41Cr4 steel in comparison to some other materials,” Archives of Foundry Engineering, vol. 9, no. 4, pp. 129–134, 2009.

[13]   K. O. Findley, R. L. Cryderman, A. B. Nissan, and D. K. Matlock, “The effects of inclusions on fatigue performance of steel alloys,” AIST Trans, vol. 10, no. 6, pp. 234–44, 2013.

[14]   G. Lesiuk, M. M. Duda, J. Correia, A. M. P. de Jesus, and R. Calçada, “Fatigue crack growth of 42CrMo4 and 41Cr4 steels under different heat treatment conditions,” International Journal of Structural Integrity, vol. 9, no. 3, pp. 326–336, 2018.

[15]   I. Hurey et al., “Resistance to wear during friction without lubrication of steel-cast iron pairing with nanocrystalline structure-reinforced surface layers,” Lubricants, vol. 11, no. 10, p. 418, 2023.

[16]   S. Spigarelli, M. Cabibbo, A. Santoni, and E. Santecchia, “Short-term creep approach to redefining the role of 17-4PH stainless steel for high-temperature applications,” Scientific Reports, vol. 14, no. 1, p. 8306, 2024.

[17]   A. Dolzhenko, P. Dolzhenko, V. Dudko, R. Kaibyshev, and A. Belyakov, “The Low-Cycle Fatigue Behavior of a High-Strength Low-Alloy Steel Subjected to Tempforming,” Materials, vol. 18, no. 5, p. 972, 2025.

[18]   Y. Totik, “The corrosion behavior of AISI 4140 steel subjected to different heat treatments,” Corrosion Reviews, vol. 23, no. 4-5-6, pp. 379–390, 2005.

[19]   G. P. Singh, A. P. Moon, S. Sengupta, G. Deo, S. Sangal, and K. Mondal, “Corrosion behavior of IF steel in various media and its comparison with mild steel,” Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 24, no. 5, pp. 1961–1974, 2015.

[20]   F. Borgioli, “The corrosion behavior in different environments of austenitic stainless steels subjected to thermochemical surface treatments at low temperatures: an overview,” Metals, vol. 13, no. 4, p. 776, 2023.

[21]   Y. Yue, Z. Yin, S. Li, Z. Zhang, and Q. Zhang, “Corrosion behavior of mild steel in various environments including CO2, H2S, and their combinations,” Metals, vol. 15, no. 4, p. 440, 2025.

[22]   I. Kladarić, S. Golubić, D. Ćorić, and A. Milinović, “The Influence of Applying PVD Coatings on Adhesion Wear Resistance of Quenching and Tempering Steels,” Metals, vol. 16, no. 2, p. 130, 2026.