مواد الصلب هي مادة سبيكة مع الحديد والكربون كمكوناتها الرئيسية. إنها واحدة من المواد الأساسية الأكثر استخدامًا والأكثر أهمية في الصناعة والبنية التحتية الحديثة. يمكن التحكم في خصائصه على نطاق واسع عن طريق ضبط محتوى الكربون وإضافة عناصر صناعة السبائك.

I. التعريف الأساسي والتصنيف الأساسي

الصلب هو في الأساس مادة أساسها الحديد (Fe) مع الكربون (C) كعنصر صناعة السبائك الأساسي. تمنح الاختلافات الدقيقة في محتوى الكربون خصائص مختلفة إلى حد كبير:

1. الفولاذ منخفض الكربون (C ≥ 0.25%):

   • الخصائص: اللدونة الممتازة، والمتانة، وقابلية اللحام؛ سهل التشكيل (مثل الختم والثني)؛ قوة منخفضة نسبيا.

   • التطبيقات: ألواح جسم السيارة، وقضبان البناء (على سبيل المثال، Q235)، والأسلاك، والمسامير، والألواح، والأقسام الهيكلية.

2. فولاذ متوسط الكربون (0.25% < C ≥ 0.60%):

   • الخصائص: قوة وصلابة أعلى من الفولاذ منخفض الكربون، مع الاحتفاظ باللدونة والمتانة. يمكن تعزيز الأداء عن طريق المعالجة الحرارية (على سبيل المثال، التبريد والتلطيف).

   • التطبيقات: مكونات الآلات (التروس، الأعمدة، قضبان التوصيل)، مثبتات عالية القوة، القضبان، العجلات، المطروقات.

3. الفولاذ عالي الكربون (C > 0.60%):

   • الخصائص: صلابة عالية، وقوة، ومقاومة التآكل؛ محدودية اللدونة والمتانة. ضعف قابلية اللحام.

   • التطبيقات: أدوات القطع (الملفات، لقم الثقب)، النوابض، الأسلاك عالية القوة، القوالب، اللفات.

ثانيا. سبائك الصلب: توسيع ورفع الأداء

إضافة عناصر صناعة السبائك المحددة (على سبيل المثال، الكروم (Cr)، والنيكل (Ni)، والموليبدينوم (Mo)، والفاناديوم (V)، والمنغنيز (Mn)، والسيليكون (Si)) إلى الفولاذ الكربوني يعزز بشكل كبير أو يضفي خصائص متخصصة:

• تعزيز القوة والمتانة: Mo، V، Mn ينقي بنية الحبوب أو يشكل مراحل تقوية.

• تعزيز مقاومة التآكل: نسبة عالية من الكربون مع Cr، Mo.

• تحسين مقاومة التآكل: الكروم هو مفتاح الفولاذ المقاوم للصدأ (عادة ≥10.5٪)؛ Ni يعزز مقاومة التآكل والمتانة.

• أداء متفوق في درجات الحرارة العالية: تحافظ Mo وV وW على القوة ومقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة.

• الصلابة المحسنة: يؤثر الكروم، المنغنيز، Mo، B على عمق التصلب أثناء التبريد.

ثالثا. المجالات الرئيسية للفولاذ التخصصي

1. الفولاذ المقاوم للصدأ: يشكل محتوى الكروم الحرج (≥10.5%) طبقة أكسيد الكروم السلبية. مصنفة حسب البنية المجهرية:

   • الأوستنيتي (على سبيل المثال، 304/316: مقاومة ممتازة للتآكل وغير مغناطيسية).

   • مارتنسيتي (على سبيل المثال، 410/420: صلابة قابلة للمعالجة بالحرارة).

   • الحديدي (على سبيل المثال، 430: مغناطيسي).

   • دوبلكس (بنية مختلطة).
     التطبيقات: أدوات المائدة، الأجهزة الطبية، المعدات الكيميائية، الكسوة المعمارية.

2. أداة الصلب: محتوى عالي من الكربون/السبائك للحصول على صلابة شديدة، ومقاومة التآكل، والصلابة الساخنة (يحتفظ بالصلابة في درجات الحرارة العالية)، والمتانة المتوازنة.
   التطبيقات: أدوات القطع، القوالب (الختم، الحقن)، أجهزة القياس.

3. الفولاذ الهيكلي عالي القوة: توفر التركيبة المحسنة والعمليات المتقدمة (على سبيل المثال، المعالجة الخاضعة للتحكم الحراري والميكانيكي - TMCP) قوة عالية (قوة الخضوع ≥550MPa) مع ضمان قابلية اللحام والمتانة.
   التطبيقات: الجسور، ناطحات السحاب، الآلات الثقيلة، السفن، أوعية الضغط.

رابعا. ولادة الفولاذ: من الخام إلى المادة

صناعة الصلب هي عملية صناعية معقدة:

1. صناعة الحديد: يتم اختزال خام الحديد (أكاسيد الحديد) بواسطة فحم الكوك في الفرن العالي، مما ينتج عنه الحديد الخام المنصهر (عالي الكربون: ~3-4%، بالإضافة إلى الشوائب مثل Si، Mn، P، S).

2. صناعة الصلب: المهام الرئيسية: تقليل الكربون وإزالة الشوائب. الطرق الأولية:

   • فرن الأكسجين الأساسي (BOF): يؤدي نفخ الأكسجين في الحديد المنصهر إلى أكسدة الكربون/الشوائب؛ كفاءة عالية.

   • فرن القوس الكهربائي (EAF): يذوب خردة الفولاذ باستخدام الكهرباء؛ مرنة ومثالية لإعادة التدوير.

   • التكرير الثانوي: مزيد من التفريغ، وإزالة التضمين، وتعديل التركيبة خارج الفرن للحصول على نقاء فائق.

3. صب: يتم ترسيخها في سبائك أو صبها بشكل مستمر في ألواح أو قضبان أو أزهار.

4. تشكيل: تخضع الأشكال المصبوبة للدرفلة على الساخن/البارد (الألواح، والألواح، والمقاطع، والأسلاك)، والطرق، وما إلى ذلك، لتحقيق الأبعاد والخصائص النهائية.

خامساً: التطبيقات الشاملة: عالم مبني على الفولاذ

يتخلل الفولاذ كل جانب من جوانب الحياة الحديثة:

• البناء والبنية التحتية: هياكل ناطحات السحاب، هياكل الجسور، قضبان التسليح الخرسانية (حديد التسليح)، دعامات الأنفاق، خطوط الأنابيب (المياه، الغاز، النفط).

• النقل: أجسام السيارات، الشاسيه، أجزاء المحرك؛ هياكل السفن، والطوابق؛ عربات القطار والمسارات. معدات هبوط الطائرات، مكونات المحرك (سبائك الصلب).

• صناعة الطاقة: منصات النفط/الغاز وخطوط الأنابيب؛ معدات محطات توليد الطاقة (الغلايات، التوربينات، أوعية الضغط)؛ أبراج توربينات الرياح، وعلب التروس. أبراج الإرسال.

• تصنيع الآلات: الأدوات الآلية، التروس، المحامل، الأعمدة، قضبان التوصيل، السحابات، النوابض.

• الحياة اليومية: إطارات الأجهزة وأدوات الطهي (الفولاذ المقاوم للصدأ) وأجهزة الأثاث والأدوات الطبية/المزروعات.

• الأدوات والقوالب: أدوات القطع، والمقاييس، ويموت.

سادسا. مزايا الأداء الأساسية

تنبع الهيمنة الدائمة للصلب من مزيجه الفريد من الخصائص:

• قوة عالية: يتحمل أحمالًا هائلة؛ تمكن الهياكل القوية.

• اللدونة الجيدة والمتانة: قابلة للتشكيل في أشكال معقدة؛ يقاوم التأثير.

• قابلية تشغيل ممتازة: يتم صبها بسهولة، وتزويرها، وتدحرجها، ولحامها، وتشكيلها.

• المتانة وطول العمر: عمر خدمة ممتد مع الاستخدام/الصيانة المناسبة.

• درجات متنوعة وخصائص قابلة للضبط: تؤدي تعديلات التركيب والعمليات إلى نطاقات أداء واسعة.

• الإنتاج الناضج ووفورات الحجم: التكنولوجيا الراسخة، وفعالة من حيث التكلفة، وإمدادات وفيرة.

• إعادة التدوير: يمكن فصلها مغناطيسيًا بسهولة؛ قابلة لإعادة التدوير بنسبة 100% - مادة مستدامة.

أصبح الفولاذ مادة أساسية أساسية تدعم المجتمع الصناعي الحديث نظرًا لأدائه الشامل الممتاز وقابليته للتعديل على نطاق واسع. من خلال التحسين المستمر للتركيب وابتكار العمليات، يستمر الفولاذ في تلبية الاحتياجات الهندسية الجديدة ويتمتع بمزايا كبيرة في الاستدامة.