جدیدمقایسه فولادهای ساختمانی St37, St52 و Ck45
مقدمه
در میان گریدهای رایج، فولادهای ST37، ST52 و CK45 به‌واسطه‌ی در دسترس بودن، خواص مکانیکی متنوع و عملکرد قابل‌قبول در شرایط عملیاتی مختلف، توجه ویژه‌ای را در صنایع مهندسی به خود جلب کرده‌اند. این فولادها اگرچه همگی پایه‌کربنی هستند، اما از لحاظ درصد عناصر آلیاژی، ریزساختار، رفتار در فرآیندهای ساخت و نیز مقاومت در برابر تنش، تفاوت‌های بنیادینی دارند که آن‌ها را برای کاربردهای خاصی مناسب می‌سازد....
درک صحیح از این تفاوت‌ها برای مهندسان مواد، طراحان مکانیکی و صنایع بهره‌بردار، ضرورتی اجتناب‌ناپذیر است. از این‌رو، بررسی و مقایسه‌ی سیستماتیک خواص و قابلیت‌های این فولادها، می‌تواند ابزار مؤثری در جهت انتخاب آگاهانه و بهینه‌ی گرید فولادی متناسب با شرایط عملکردی پروژه‌ها فراهم آورد.
ترکیب شیمیایی و عناصر آلیاژی فولادهای ST37، ST52 و CK45
ترکیب شیمیایی فولاد، نقش اساسی در تعیین خواص مکانیکی، قابلیت جوشکاری، سختی‌پذیری و رفتار در فرایندهای ساخت ایفا می‌کند. جدول زیر، ترکیب شیمیایی اسمی سه گرید فولادی ST37، ST52 و CK45 را طبق استانداردهای DIN EN 10025-2 و DIN EN 10083-2 ارائه می‌دهد:
| عنصر (%) | ST37 | ST52 | CK45 |
| کربن (C) | 0.17 – 0.20 | 0.20 – 0.22 | 0.42 – 0.50 |
| سیلیسیم (Si) | ≤ 0.35 | ≤ 0.55 | ≤ 0.40 |
| منگنز (Mn) | 0.35 – 0.70 | 1.60 – 1.80 | 0.50 – 0.80 |
| فسفر (P) | ≤ 0.050 | ≤ 0.040 | ≤ 0.040 |
| گوگرد (S) | ≤ 0.050 | ≤ 0.040 | ≤ 0.040 |
| کروم (Cr) | – | ≤ 0.30 | ≤ 0.40 |
| نیکل (Ni) | – | ≤ 0.30 | ≤ 0.40 |
| مولیبدن (Mo) | – | ≤ 0.10 | ≤ 0.10 |
تحلیل و مقایسه ترکیب شیمیایی:
- ST37 با داشتن کمترین درصد کربن (حداکثر0.20%) ، در دسته فولادهای کم‌کربن قرار می‌گیرد که ساختار آن عمدتاً فریتی است. این موضوع منجر به شکل‌پذیری بالا، قابلیت جوشکاری بسیار خوب و مقاومت به ضربه مطلوب در دمای محیط می‌گردد، اما در عین حال باعث کاهش استحکام تسلیم و سختی سطحی نیز می‌شود.
- ST52 با افزایش محتوای کربن و غنی‌سازی با منگنز (تا1.8%) ، دارای ریزساختار پرلیتی-فریتی اصلاح‌شده‌ای است که استحکام کششی و سختی را نسبت به ST37 به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. منگنز همچنین سختی‌پذیری را افزایش داده و موجب بهبود جوش‌پذیری در ضخامت‌های بالا می‌شود
- CK45 در دسته فولادهای متوسط‌کربن قرار دارد. حضور بیش از 0.45% کربن و مقادیر متعادل از منگنز، سبب افزایش قابلیت عملیات حرارتی (مانند کوئنچ و تمپر)، استحکام و سختی نهایی می‌شود. این فولاد پس از کوئنچ می‌تواند به سختی‌های بالای 55 HRC دست یابد و برای کاربردهای سایشی یا بار دینامیکی مناسب باشد. با این حال، جوشکاری این فولاد به دلیل کربن بالا، نیازمند پیش‌گرمایش و عملیات پس‌گرمایی استیشترین میزان کربن را دارد که باعث افزایش سختی و استحکام مکانیکی آن شده اما در عین حال جوشکاری و شکل‌پذیری آن کاهش یافته است.
شاید علاقمند باشید: معرفی کامل فولاد Ck45
خواص مکانیکی و تحلیل عملکردی فولادهای ST37، ST52 و CK45
خواص مکانیکی، معیار اصلی در ارزیابی عملکرد سازه‌ای و عملکردی فولادها محسوب می‌شود. این خواص شامل استحکام تسلیم و کششی، سختی سطحی، انعطاف‌پذیری (ازدیاد طول)، چقرمگی شکست و مقاومت به ضربه است. در جدول زیر، خواص مکانیکی سه گرید مورد بحث، بر اساس داده‌های استاندارد (DIN EN 10025-2و DIN EN 10083-2)و منابع معتبر علمی (ASM Metals Handbook Vol. 1, 4) ارائه شده است:
| خاصیت مکانیکی | ST37 | ST52 | CK45 |
| استحکام تسلیم (MPa) | 235 – 275 | 355 – 460 | 300 – 380 |
| استحکام کششی (MPa) | 360 – 510 | 490 – 630 | 600 – 800 |
| سختی برینل (HBW) | 120 – 160 | 160 – 190 | 170 – 220(پیش از سختکاری) |
| درصد ازدیاد طول (ε %) | 25 – 30 | 18 – 22 | 14 – 17 |
| چقرمگی (J/cm²) | بالا | متوسط | پایین |
| قابلیت جوشکاری | بسیار خوب | متوسط | ضعیف |
| قابلیت عملیات حرارتی | محدود | متوسط | بسیار خوب |
تحلیل و مقایسه خواص مکانیکی:
- فولاد ST37 به عنوان یک فولاد نرم و کم‌کربن، دارای استحکام متوسط اما انعطاف‌پذیری و چقرمگی بالا است. این فولاد به دلیل ساختار فریتی، تمایل به تغییر شکل پلاستیک دارد و در برابر شکست ترد مقاوم است. این ویژگی‌ها، آن را برای کاربردهای سازه‌ای سبک، پل‌ها و اسکلت‌های فلزی ایده‌آل می‌سازد.
- فولاد ST52 با افزایش کربن و منگنز، در بازه‌ی مقاومت تسلیم بالاتری قرار می‌گیرد و قابلیت تحمل بارهای مکانیکی بزرگ‌تر را دارد. ساختار میکروسکوپی فریتی-پرلیتی آن باعث افزایش مقاومت به خستگی و بهبود رفتار مکانیکی در کاربردهای دینامیکی می‌شود. کاهش ازدیاد طول و چقرمگی، نتیجه طبیعی افزایش استحکام در این فولاد است. بنابراین گزینه مناسبی برای سازه‌های تحت بارهای مکانیکی بالا، پل‌ها و قطعات تحت فشار محسوب می‌شود.
- فولاد CK45 با دارا بودن بیشترین استحکام کششی و قابلیت سختکاری، بهترین گزینه برای قطعات تحت سایش یا بارهای چرخه‌ای بالا مانند مانند شفت‌ها، چرخ‌دنده‌ها است. با اعمال عملیات حرارتی مناسب (مانند کوئنچ-تمپر)، می‌توان سختی نهایی سطحی را تا 55–60 HRC افزایش داد. با این حال، کاهش شکل‌پذیری و حساسیت بالا به ترک در صورت عدم کنترل حرارتی، استفاده از آن را در کاربردهای جوشکاری محدود می‌سازد.
شاید علاقمند باشید:
10
دقیــقه مطالعه
آنچه هر مهندسی باید درباره فولاد ST52 بداند
در میان گریدهای مختلف فولادی، فولاد ST52 به دلیل استحکام کششی بالا، مقاومت در بر...
کاربردهای صنعتی فولادهای ST37، ST52 و CK45 با مثال‌های عملی
انتخاب گرید فولادی برای کاربردهای مهندسی، تابعی از خواص مکانیکی، قابلیت فرایندپذیری، شرایط بهره‌برداری و عوامل اقتصادی است. هر یک از فولادهای ST37، ST52 و CK45 به‌واسطه‌ی ترکیب شیمیایی خاص خود، در بخش‌های خاصی از صنعت دارای مزیت عملکردی هستند.
ST37 -فولاد ساختمانی و عمومی
محدوده‌ی استحکام تسلیم پایین این فولاد، آن را به گزینه‌ای اقتصادی و مناسب برای سازه‌های سبک، قطعات کم‌تنش و تولید انبوه تبدیل کرده است. قابلیت جوشکاری بدون نیاز به پیش‌گرمایش، هزینه‌های ساخت را به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.
کاربردهای کلیدی:
- اسکلت‌های فلزی سبک و سازه‌های ساختمانی (تیرآهن، ناودانی، نبشی)
- ساخت لوله‌های انتقال فشار پایین (آب، گاز)
- بدنه‌ی کانتینر، قفسه‌های صنعتی، پایه‌های روشنایی
ST52-فولاد مقاوم به بارهای دینامیکی و سنگین
ST52 نسبت به ST37، دارای استحکام کششی و تسلیم بالاتر و رفتار مکانیکی بهتر در شرایط بارگذاری دینامیکی است. ویژگی‌های مکانیکی و ساختاری این فولاد، آن را برای کاربردهای سنگین و صنعتی بسیار مناسب کرده است.
کاربردهای کلیدی:
- دکل‌های انتقال نیرو و مخازن صنعتی غیرخورنده
- بوم و بازوی جرثقیل‌ها، شاسی کامیون‌ها، تجهیزات راه‌سازی
- تیرهای فولادی سنگین در پل‌ها و سازه‌های مهندسی خاص
CK45 -فولاد مقاوم به سایش و عملیات حرارتی‌پذیر
فولاد CK45 به‌دلیل ویژگی‌های مکانیکی و شیمیایی خود، برای قطعات تحت سایش، بارهای چرخه‌ای و تنش‌های شدید مکانیکی ایده‌آل است. همچنین، جوشکاری آن نیازمند پیش‌گرمایش و کنترل حرارتی دقیق است.
کاربردهای کلیدی:
- شفت‌های انتقال قدرت، میل‌لنگ خودرو، اکسل‌های صنعتی
- چرخ‌دنده‌های صنعتی، قرقره‌های جرثقیل، غلطک‌های نورد
- تیغه‌های برش، قالب‌های آهنگری، ابزارهای هیدرولیکی
بررسی قابلیت جوشکاری و مقایسه قابلیت ماشین‌کاری فولادهای ST37، ST52 و CK45
فرایندهای جوشکاری و ماشین‌کاری، از مراحل کلیدی در تولید قطعات مهندسی به‌شمار می‌روند. انتخاب گرید فولاد مناسب باید بر اساس سهولت و ایمنی در این فرایندها انجام گیرد. عوامل مؤثر شامل درصد کربن، عناصر آلیاژی، ساختار میکروسکوپی و سختی نهایی هستند.
1– جوشکاری (Weldability)
جوش‌پذیری فولاد مستقیماً تابع میزان کربن معادل (CE) آن است. با افزایش CE، احتمال تشکیل مارتنزیت ترد در ناحیه‌ی متأثر از حرارت (HAZ) افزایش می‌یابد و خطر ترک‌خوردگی بالا می‌رود.
| فولاد | درصد کربن (C) | جوش‌پذیری | نیاز به پیش‌گرمایش یا عملیات پس‌گرمایی؟ |
| ST37 | 0.17 – 0.20% | بسیار خوب | بدون نیاز به پیش‌گرمایش |
| ST52 | 0.20 – 0.22% | متوسط | گاهی نیاز به پیش‌گرمایش برای ضخامت‌های بالا برای جلوگیری از ترک‌خوردگی |
| CK45 | 0.42 – 0.50% | ضعیف | نیاز به پیش‌گرمایش و عملیات پس‌گرمایی به شدت مستعد ایجاد ترک در HAZ بوده و نیاز به پیش‌گرمایش و تمپر تنش‌زدایی دارد؛ در صورت عدم کنترل حرارتی، شکست در محل جوش اجتناب‌ناپذیر است. |
2- ماشین‌کاری (Machinability)
ماشین‌کاری فولادها تحت تأثیر سختی، ترکیب فازی و تمایل به کارسختی قرار دارد. افزایش کربن و پرلیت باعث کاهش قابلیت براده‌برداری و افزایش سایش ابزار می‌شود.
| فولاد | سختی برینل (HBW) | ماشین‌کاری | نکات مهم در ماشین‌کاری |
| ST37 | 120 – 160 | بسیار خوب | قابل برشکاری با ابزارهای ساده، می‌توان از ابزارهای فولاد تندبر (HSS) برای تراشکاری آن استفاده کرد. |
| ST52 | 160 – 190 | متوسط | نیاز به سرعت‌های برش پایین‌تر و ابزارهای برش مقاوم‌تر مانند کاربید تنگستن (Tungsten Carbide) دارد. |
| CK45 | 170 – 220 | سخت (نیاز به ابزارهای خاص) | برای ماشین‌کاری باید عملیات حرارتی شود. برای برشکاری، بهتر است از مایع خنک‌کننده و ابزارهای کاربیدی یا سرامیکی استفاده شود. در صورتی که CK45 سختکاری شده باشد، ماشین‌کاری آن بسیار دشوارتر می‌شود. |
توصیه می‌شود:
10
دقیــقه مطالعه
معرفی ورق فولاد ST37 و اهمیت آن در صنعت
ورق ST37 یکی از فولادهای کربنی کم‌کربن است که به‌طور گسترده در صنایع مختلف مانند...
تحلیل اقتصادی و ارزیابی هزینه در انتخاب فولادهای ST37، ST52 و CK45
در طراحی مهندسی، علاوه بر خواص مکانیکی و قابلیت‌های فرایندپذیری، هزینه‌ی تأمین، تولید و چرخه‌ی عمر قطعه نقش تعیین‌کننده‌ای در انتخاب نهایی فولاد دارد. تحلیل اقتصادی بهینه، باید به صورت «هزینه کل مالکیت» (Total Cost of Ownership – TCO) و نه صرفاً قیمت اولیه ماده، مدنظر قرار گیرد.
| فولاد | قیمت نسبی (هر کیلوگرم) | عوامل تعیین‌کننده قیمت |
| ST37 | پایین | ترکیب ساده، تولید انبوه، بدون عناصر آلیاژی |
| ST52 | متوسط | درصد منگنز بالا، خواص مهندسی بهتر |
| CK45 | بالا | مقدار بالای کربن، قابلیت سختکاری، عملیات حرارتی الزامی |
تحلیل فنی–اقتصادی:
- ST37 با کمترین هزینه تأمین، گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه برای پروژه‌های انبوه و سازه‌های سبک است. ساده‌ترین فرآیند تولید و جوشکاری نیز هزینه‌ی نهایی را کاهش می‌دهد【World Steel Prices†2023】.
- ST52 گرچه قیمت بیشتری دارد، اما با توجه به استحکام بالاتر، نیاز به مقاطع سنگین‌تر را کاهش داده و در مجموع موجب صرفه‌جویی در وزن و حجم مصرفی فولاد می‌شود.
- CK45 به‌دلیل نیاز به عملیات حرارتی (نرماله، کوئنچ، تمپر) و ماشین‌کاری خاص، دارای هزینه تولید بالاتری است. همچنین، زمان ساخت و دقت موردنیاز در ساخت قطعه نیز بیشتر خواهد بود
| فولاد | مقاومت به سایش/خستگی | عمر مفید | تأثیر بر هزینه بلندمدت |
| ST37 | پایین | کوتاه | نیاز به تعویض زودهنگام در کاربردهای دینامیکی |
| ST52 | متوسط | نسبتاً بلند | کاهش نیاز به تعمیر در سازه‌های تحت بار |
| CK45 | بسیار بالا | بلند | صرفه‌جویی در نگهداری قطعات حساس و سایشی |
تحلیل چرخه عمر:
- ST37 در کاربردهای سازه‌ای ساده و کم‌تنش، اقتصادی‌ترین گزینه است. اما در شرایط ضربه‌ای یا خستگی، طول عمر محدود دارد.
- ST52 در تجهیزات سنگین و تحت بار، به‌دلیل استحکام بالا و خواص میکروسکوپی متعادل، نسبت به ST37 عمر بیشتری دارد.
- CK45 در سیستم‌هایی که تعمیر و تعویض قطعات هزینه‌بر است (مثلاً خطوط تولید پیوسته، گیربکس‌های صنعتی)، به‌دلیل سختی بالا و مقاومت سایشی، باعث کاهش توقف سیستم و افزایش بهره‌وری بلندمدت می‌شود.
جمع‌بندی
در این مطالعه، سه گرید پرکاربرد فولادهای ساختمانی و صنعتی شامل ST37، ST52 و CK45 از منظر ترکیب شیمیایی، خواص مکانیکی، قابلیت فرآیندپذیری (جوشکاری و ماشین‌کاری)، کاربردهای صنعتی و تحلیل اقتصادی به‌طور سیستماتیک مورد ارزیابی قرار گرفتند. داده‌های ارائه‌شده بر پایه استانداردهای بین‌المللی مانند DIN EN و منابع علمی معتبر نظیر ASM Handbook تدوین گردیده‌اند تا مبنایی مستند و مهندسی برای انتخاب بهینه فولاد فراهم شود.
بررسی‌ها نشان داد که ST37 به‌دلیل ترکیب ساده، شکل‌پذیری بالا و جوش‌پذیری عالی، انتخابی مقرون‌به‌صرفه برای سازه‌های سبک و پروژه‌های عمومی مهندسی است. ST52 با برخورداری از استحکام بالاتر و ساختار پرلیتی متعادل، در کاربردهای تحت بارهای دینامیکی یا سازه‌های سنگین عملکرد قابل قبولی از خود نشان می‌دهد. فولاد CK45 نیز به‌واسطه‌ی قابلیت سختکاری، مقاومت سایشی بالا و دوام مکانیکی طولانی‌مدت، گزینه‌ی ممتاز در تولید قطعات تحت سایش و تنش‌های بالا محسوب می‌شود، اگرچه هزینه‌ی فرآیند ساخت آن بیشتر است.
سوالات متداول (FAQs)
کدام فولاد برای ساخت شفت‌های صنعتی پیشنهاد می‌شود؟
فولاد CK45 به‌واسطه‌ی قابلیت سختکاری، استحکام بالا و مقاومت به سایش، انتخاب ایده‌آلی برای قطعاتی نظیر شفت‌ها، چرخ‌دنده‌ها و قالب‌های صنعتی محسوب می‌شود.
اگر پروژه‌ای ساختمانی با محدودیت بودجه داشته باشم، کدام فولاد مناسب‌تر است؟
فولاد ST37 به‌دلیل قیمت پایین، جوش‌پذیری عالی و تولید انبوه، گزینه‌ی بهینه برای پروژه‌های ساختمانی عمومی است.
چگونه می‌توان فولادهای ST37، ST52 و CK45 را از یکدیگر تشخیص داد؟
شناسایی این سه گرید فولادی نیازمند ترکیبی از آزمون‌های غیرمخرب و نیمه‌مخرب است. در آزمون اسپارک، فولاد CK45 به‌دلیل کربن بالا، جرقه‌هایی بلند، درخشان و منشعب تولید می‌کند، در حالی که ST37 و ST52 جرقه‌های کوتاه‌تر و کم‌نورتری دارند. در سختی‌سنجی سطحی، CK45 بیشترین سختی را نشان می‌دهد، به‌ویژه اگر عملیات سختکاری روی آن انجام شده باشد. آنالیز ترکیب شیمیایی با دستگاه XRF یا OES دقیق‌ترین روش تشخیص است؛ در آن می‌توان تفاوت مقدار کربن (در CK45) و منگنز (در ST52) را به‌وضوح مشاهده کرد. آزمایش کشش نیز نشان می‌دهد ST37 در حدود 235–275 MPa تسلیم می‌شود، در حالی که ST52 تا 460 MPa و CK45 تا حدود 800 MPa تحمل دارد. همچنین، بررسی کدگذاری یا مارکینگ کارخانه‌ای (مانند حک ST52-B یا C45 روی سطح پروفیل) می‌تواند در شناسایی اولیه مفید باشد.
در محیط‌های صنعتی، ترکیب آزمون اسپارک، سختی‌سنجی و آنالیز XRF قابل حمل، یک روش سریع، دقیق و کاربردی برای تشخیص این گریدها به‌شمار می‌رود.
دقیق‌ترین روش برای شناسایی نوع فولاد چیست؟
ترکیبی از آزمون اسپارک (برای بررسی نوع جرقه)، سختی‌سنجی و آنالیز شیمیایی (XRF یا OES).
دیدگاه کاربران