याचे सामर्थ्य फायदे कार्बन स्टील या तीन मुख्य यांत्रिक गुणधर्मांवर अवलंबून आहेतः तन्यता शक्ती, उत्पन्न शक्ती आणि कडकपणाची पातळी. जेव्हा आपण तन्यतेच्या सामर्थ्याबद्दल बोलतो, तेव्हा आपण मूलतः पाहतो की एखादी सामग्री तुटण्यापूर्वी किती शक्ती सहन करू शकते. गेल्या वर्षी प्रकाशित झालेल्या काही अलीकडील संशोधनानुसार उच्च कार्बन स्टील्स प्रत्यक्षात 800 एमपीएपेक्षा जास्त पोहोचू शकतात. जेव्हा धातू परत वाकण्याऐवजी कायमस्वरूपी आकार बदलू लागतो तेव्हा कमाल शक्ती दर्शवते. कमी कार्बन असलेली आवृत्ती साधारणपणे ३५० एमपीएच्या आसपास असते, तर उष्णता प्रक्रियेने उपचारित असलेल्यांना १,००० एमपीए सहजपणे पुढे ढकलता येते. कठोरतेच्या बाबतीत, हे रॉकवेल सी स्केल नावाच्या गोष्टीचा वापर करून मोजले जाते. कार्बनची मात्रा जितकी जास्त असेल तितकी स्टील जास्त कठीण होते कारण क्रिस्टल जाळीच्या संरचनेत अधिक सूक्ष्म दोष असतात ज्यामुळे ते स्क्रॅच प्रतिरोधक आणि एकूणच चांगले पोशाख करतात.
तन्यता शक्ती मुळात आपल्याला किती वजन सांगते कार्बन स्टील तो तुटण्याआधी टिकून राहू शकतो, जे पुलांसाठी आणि अवजड यंत्रांच्या भागांसाठी खूप महत्वाचे आहे. उदाहरणार्थ एएसटीएम ए३६ स्ट्रक्चरल स्टील घ्या, त्याची ताणण्याची ताकद साधारणतः ४०० ते ५५० एमपीए दरम्यान असते. पण जेव्हा आपण १०९५ सारख्या साधनांच्या स्टील्सकडे पाहतो, एकदा त्यांना योग्य उष्णता उपचार केल्यावर ते १००० एमपीए पेक्षा जास्त जाऊ शकतात. आता, उत्पादन शक्ती हा आणखी एक महत्त्वाचा घटक आहे जो नियमित ऑपरेशन दरम्यान सामग्री काय सहन करू शकते याची मर्यादा ठरवते. १०४५ मध्यम कार्बन स्टीलपासून बनविलेले ऑटोमोटिव्ह क्रॅन्कशाफ्ट साधारणपणे सुमारे ४५० एमपीए पर्यंतच्या दाबाखाली अखंड राहतील. कठोरतेच्या बाबतीत, कमी कार्बन असलेल्या प्रकारांसाठी सुमारे ७० एचआरबी पासून उच्च कार्बन असलेल्यांसाठी ६५ एचआरसी पर्यंत एक मोठी झेप आहे. यामुळे उच्च कार्बन स्टील्स हे कापणी साधनांसाठी विशेषतः चांगले पर्याय बनतात जिथे त्यांना कालांतराने पोशाख करण्यास विरोध करणे आवश्यक आहे.
कार्बनची पातळी सुमारे ०.०५ टक्क्यांवरून १.०० टक्क्यांपर्यंत समायोजित केल्याने उत्पादकांना आवश्यक असलेल्या शक्ती गुणधर्मांवर बारीक लक्ष ठेवता येते. मटेरियल्स सायन्स रिव्ह्यूच्या 2023 च्या आवृत्तीत प्रकाशित केलेल्या संशोधनानुसार, कार्बन सामग्री 0.2% ते 0.8% पर्यंत वाढवून जवळजवळ 60% पर्यंत ताणण्याची शक्ती वाढवते, जरी या श्रेणीत डक्टिलिटी सुमारे 70% खाली येते म्हणून किंमत येते. याचे व्यावहारिक परिणाम अगदी सरळ आहेत. कार्बन कमी असलेली स्टीलची 0.05 ते 0.3% कार्बन असलेली स्टील कारच्या बॉडी पॅनेलसारख्या गोष्टींसाठी उत्तम काम करते ज्यांना क्रॅकिंग न करता आकार देण्याची आवश्यकता असते. तर दुसरीकडे, 0.6 ते 1.0% पर्यंत कार्बन असलेली स्टील्स खूपच कठोर आणि टिकाऊ बनतात. त्यामुळे ते कापणी साधने, चाकू आणि यंत्रांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या भारी स्प्रिंग्ससाठी आदर्श पर्याय बनतात.
जेव्हा स्टीलमध्ये अधिक कार्बन असते, तेव्हा ते अधिक मजबूत होते कारण आतमध्ये लोह कार्बाइड (Fe3C) तयार होते, जे मुळात विस्थापन नावाच्या त्या छोट्या हालचालींना रोखते. सुमारे ०.८% कार्बन सामग्री आपल्याला पूर्ण मोतीसारखी रचना देते. याला फेराइटचे थर सिमेंटिटमध्ये मिसळून, मजबूत आणि लवचिक असे काहीतरी निर्माण करण्यासारखे समजा. पण जर आपण त्या मधुर बिंदूच्या पुढे गेलो तर खूप कार्बाइड्स संपूर्ण धातूमध्ये या नाजूक नेटवर्क तयार करण्यास सुरुवात करतात. म्हणूनच योग्य उष्णता उपचार हे सामग्रीतून सर्वोत्तम मिळवण्यासाठी खूप महत्वाचे आहे. आजकाल, उत्पादक नियंत्रणात रोलिंग सारख्या पद्धतींचा वापर करतात धान्य लहान करण्यासाठी, जे मिश्रणात अतिरिक्त कार्बन न घालताही शक्ती वाढवते. उत्पादन सेटिंग्जमध्ये वस्तू खर्चिक प्रभावी ठेवून ही पद्धत अधिक चांगल्या गुणधर्मांना मदत करते.
कार्बन सामग्री ०.०५% ते ०.३२% दरम्यान कमी कार्बन स्टील २०,३००३४,७०० पीएसआय (एएसटीएम ए३६ २०२३) ची तन्यता शक्ती प्राप्त करते. या ग्रेडमध्ये बांधकाम बीम, ऑटोमोटिव्ह फ्रेम आणि शीट मेटल अनुप्रयोगांसाठी डक्टिलिटी आणि वेल्डेबिलिटीला प्राधान्य दिले जाते. त्याची 30105 ksi-in1⁄2 फ्रॅक्चर टिकाऊपणा भूकंप प्रतिरोधक संरचनांसाठी गंभीर आहे.
गुणवत्ता | कमी कार्बन | मध्यम कार्बन | उच्च कार्बन |
---|---|---|---|
तन्यता शक्ती (पीएसआय) | २०,३०० ३४,७०० | ३९,९०० ७२,००० | ४८,४०० १०१,००० |
कडकपणा (ब्रिनेल) | ११११५० | १७०२१० | २३०३७५ |
डक्टिलिटी (% लांब) | २३४० | १५२५ | ५१२ |
एआयएसआय १०४५ सारख्या मध्यम ग्रेडमध्ये ०.३०-०.६०% कार्बन असते. थर्मल ट्रीटमेंटद्वारे थंड करणे आणि टेम्परिंग करून कडकपणा 210 HB पर्यंत वाढवते, तर 18% लांबी कायम ठेवते (ASM आंतरराष्ट्रीय 2024). या संतुलनामुळे चक्रवाढ भारात थकवा प्रतिरोधक असणारे क्लेनशाफ्ट, गिअर्स आणि हायड्रॉलिक घटक समर्थित होतात.
0.611.5% कार्बन असलेली स्टील्स 230+ ब्रिनेल कडकपणा आणि 100,000 पीएसआयपेक्षा जास्त ताणण्याची शक्ती प्राप्त करतात. काय? प्रदीर्घता ≤ १२% पर्यंत कमी होते, ज्यामुळे १०९५ सारख्या ग्रेड डायनॅमिक लोडिंगसाठी योग्य नाहीत. अनुप्रयोग या गुणधर्मांचा लाभ घेतात:
2023 च्या पंच प्रेस ब्लेडच्या विश्लेषणामध्ये असे आढळले की 1060 कार्बन स्टील (0.60% C) ने 50,000 चक्रानंतर ≤0.01 मिमी किनारा विकृत केले आहे, जे किमती-टिकाऊपणाच्या गुणोत्तरात 27% पेक्षा जास्त साधन स्टील पर्यायी आहेत. 62 एचआरसी ची पोस्ट-एक्सिट हार्डनेस एनिमिंग आवश्यकतांशिवाय शीट मेटलची प्रक्रिया 19% वेगवान करण्यास सक्षम करते (जर्नल ऑफ मॅन्युफॅक्चरिंग सिस्टम्स).
कार्बन स्टीलच्या ताकदीच्या गुणधर्मांमध्ये सुधारणा करण्यासाठी विविध उष्णता उपचार पद्धती, जसे की शमन, टेम्परिंग आणि एनीलिंग यांचा समावेश आहे. जेव्हा आपण थंड करण्याबद्दल बोलतो, तेव्हा काय होते ते म्हणजे गरम स्टील जलद थंड होते. यामुळे धातूच्या आत एक कठोर मार्टेंसिटिक रचना निर्माण होते. एएसएम इंटरनॅशनलच्या काही अभ्यासानुसार 2023 मध्ये असे दिसून आले की उच्च कार्बन स्टील्स योग्य प्रकारे शमन केल्यानंतर 2000 एमपीएपेक्षा जास्त ताणतणाव शक्ती गाठू शकतात. थंड झाल्यानंतर थंड होणे येते, जिथे स्टील पुन्हा 300 ते 600 अंश सेल्सिअस दरम्यान गरम केले जाते. या पद्धतीने धातू कमी भंगुर होतो पण त्याची कडकपणा कायम राहते, साधारणतः ८५ ते ९० टक्के. मग इथे एक प्रकारचा अॅनिलिंग आहे जो वेगळा काम करतो. गोष्टी कठीण करण्याऐवजी, हे स्टीलला हळूहळू थंड करून मऊ करते. ही प्रक्रिया सामग्रीच्या तुटण्यापूर्वी किती ताणतणाव वाढवते, जे मध्यम कार्बन स्टीलच्या भागांसह काम करताना खूप महत्वाचे आहे ज्यांना तयार झाल्यानंतर आकार देणे आवश्यक आहे.
कार्बन स्टीलला थंड केल्यावर ते ऑस्टेनिटपासून सुपरसॅच्युरेटेड मार्टेंसाइटमध्ये बदलते. जे त्या जाळीच्या विकृती निर्माण करते. जे धातूला कठीण बनवते. पण यात एक अडचण आहे कारण ही नवीन रचना स्थिर नाही आणि सामग्रीमध्ये खूप आंतरिक ताण निर्माण होतो. इथेच टेम्परिंग उपयोगी पडते, कारण ते कार्बाइडच्या पडझडीतून या ताणतणावाचे प्रमाण कमी करण्यास मदत करते. ४५० डिग्री सेल्सिअसवर एक-दोन तास गरम करून कार्बन अणू पुन्हा वितरित होतात. स्थिर सिमेंटिटचे कण तयार होतात. या कणाने स्टीलची कडकपणा वाढते. परिणाम काय? टेंपरड मार्टेंसाइट ड्रिल बिट्स सारख्या गोष्टी बनवण्यासाठी उत्तम आहे कारण या साधनांना चांगले पोशाख प्रतिकार आणि वास्तविक वापरादरम्यान दबाव आणल्यास फ्रॅक्चरला प्रतिकार करण्याची क्षमता दोन्ही आवश्यक आहे.
आज उत्पादक कार्बन स्टीलच्या थंड करणाऱ्या प्रक्रियेमध्ये सुधारणा करून चांगले परिणाम मिळवत आहेत. या प्रगत यंत्रणांतून एका सेकंदात ५ अंश सेल्सिअसपर्यंत थंड होण्याचे प्रमाण नियंत्रित करता येते. जुन्या शालेय शमन तंत्रज्ञानाच्या तुलनेत, या आधुनिक पद्धतींमुळे जास्त बारीक धान्य रचना निर्माण होतात. पैसे? स्ट्रक्चरल स्टील्समध्ये प्रक्रिया केल्यानंतर १२ ते १५ टक्के जास्त कडकपणा दिसून येतो. गुणवत्ता नियंत्रणासाठी, बहुतेक दुकाने कठोरतेच्या चाचणीसाठी एएसटीएम ए २५५-२० मार्गदर्शक तत्त्वांचे पालन करतात. यामुळे कारच्या गिअर्स आणि बांधकामातील फास्टनर्स सारख्या भागांमध्ये सातत्य राखण्यास मदत होते. ज्यांना वेळोवेळी ताण सहन करावा लागतो. इंटरनेटशी जोडलेल्या स्मार्ट हीट ट्रीटमेंट ओव्हनच्या मदतीने या सुधारणा केल्या गेल्या तर अंतिम उत्पादनांच्या यांत्रिक अखंडतेवर परिणाम न करता ऊर्जा वापर सुमारे २० टक्क्यांनी कमी होतो.
कार्बन स्टीलचे यांत्रिक वर्तन हे वेगवेगळ्या सामग्रीच्या वैशिष्ट्यांमध्ये योग्य संतुलन शोधण्यावर अवलंबून असते. जेव्हा कार्बनची सामग्री 0.6 ते 1.5 टक्क्यांच्या आसपास वाढते, तेव्हा आपण पाहतो की ताणण्याची शक्ती आणि कडकपणा दोन्ही वाढतात, पण त्याच वेळी लवचिकता मोठ्या प्रमाणात प्रभावित होते. उदाहरणार्थ, अति उच्च कार्बन स्टील्स, ज्यात सुमारे 1% कार्बन असते, सामान्यतः 1500 एमपीएपेक्षा जास्त ताणतणाव पोहोचतात, परंतु ब्रेक करण्यापूर्वी त्यांची ताणण्याची क्षमता केवळ 10% पेक्षा कमी असते. या प्रकारचा उलट परिणाम होतो कारण कार्बन या हार्ड सिमेंटिट संरचना तयार करते ज्या मूलतः धातूमध्ये अणू कसे फिरतात त्या मार्गात येतात. अलिकडेच हेटरोस्ट्रक्चर डिझाईन्सवर झालेल्या संशोधनात आशादायक परिणाम दिसून आले आहेत. उत्पादन प्रक्रियेदरम्यान धान्य आकार काळजीपूर्वक नियंत्रित करून, अभियंत्यांनी उच्च कार्बन स्टील्समध्ये डक्टिलिटी सुमारे 15% वाढविण्यात यश मिळवले आहे, जे सूचित करते की स्मार्ट मटेरियल इंजिनिअरिंग तंत्रांद्वारे या पारंपारिक मर्यादांमधून बाहेर पडण्याचे मार्ग आहेत.
ताकद वाढवणारे तेच घटक फ्रॅक्चरची कडकपणा कमी करतात:
भूकंपाच्या बांधकामाच्या सांध्यांसारख्या गतिमान भार अनुप्रयोगांमध्ये ही लवचिकता गंभीर होते. उत्पादक मिश्रण थर्मल उपचार कठोरतेसाठी शमन करून आणि नंतर आंशिक कडकपणा पुनर्संचयित करण्यासाठी 400600 °C वर टेम्परिंग करून भरपाई करतात.
मार्टेंसाइट निर्मिती आणि हायड्रोजन क्रॅकिंगच्या जोखमीमुळे वेल्डिंग क्षमता कार्बनच्या सामग्रीशी उलट संबंध ठेवते. 0.3% पेक्षा जास्त कार्बन असणाऱ्या स्टीलसाठीः
हायब्रिड लेसर-आर्क वेल्डिंग हा उपाय म्हणून उदयास येत आहे, जो 1045 कार्बन स्टीलमध्ये 95% संयुक्त कार्यक्षमता प्राप्त करतो, तर उष्णतेमुळे प्रभावित झोन (एचएझेड) कठोरता स्पाइक्स कमी करतो.
कार्बन स्टीलच्या वजन-शक्तीच्या प्रमाणाने आजच्या काळात वस्तू बांधण्यासाठी ते खूप आवश्यक आहे. बहुतेक संरचनात्मक घटक जसे कि बीम, स्तंभ आणि ज्या मजबुतीकरण बार आपण काँक्रीट मध्ये पाहतो ते प्रत्यक्षात कमी ते मध्यम कार्बन स्टील ग्रेडवर अवलंबून असतात. सुमारे 0.05% ते 0.3% कार्बन सामग्री. या विशिष्ट श्रेणीत उत्तम कार्य करते कारण हे चांगले वेल्डिंग गुणधर्म देते आणि तरीही भारी भारात टिकून राहण्यास सक्षम आहे. एएसटीएम ए३६ कार्बन स्टील हे उदाहरण घ्या. या सामग्रीमुळे अनेक गगनचुंबी इमारती आणि पुलांचा कणा तयार होतो. तो वेळोवेळी बिघडल्याशिवाय सर्व प्रकारच्या तणावपूर्ण बदलांशी सामना करतो. आणि जेव्हा बांधकाम व्यावसायिकांनी या स्टीलच्या इमारतींना संरक्षणात्मक लेप लावतात, त्यांना गंज आणि गंजविरूद्ध अतिरिक्त संरक्षण मिळते, याचा अर्थ असा की या इमारती कठीण हवामानात किंवा किनारपट्टीच्या भागातही जास्त काळ टिकू शकतात जिथे खारट हवा सामान्यतः धातूंना खाऊन टाकते.
ऑटोमोटिव्ह उद्योगामध्ये क्रांक्सॅफ्ट, गिअर्स आणि चेसिस घटकांसाठी मध्यम कार्बन स्टील (0.30.6% कार्बन) ला प्राधान्य दिले जाते. या ग्रेडमध्ये स्टॅम्पिंग आणि मोल्डिंगसाठी पुरेशी डक्टिलिटीसह मजबुती (550860 एमपीए रिडंडंट रेझिस्टन्स) संतुलित आहे. उदाहरणार्थ, गळलेल्या आणि टेम्पर्ड 4140 स्टील उच्च तापमानात आकारमान स्थिरता राखताना इंजिनच्या भागांमध्ये चक्रीय ताण सहन करते.
उच्च कार्बन स्टील (> 0.6% कार्बन) कटिंग टूल्स, ब्लेड आणि औद्योगिक यंत्रणा भाग वर्चस्व आहे. 1095 स्टीलसारख्या ग्रेड उष्णता उपचारानंतर 6065 च्या रॉकवेल सी कठोरतेच्या पातळीवर पोहोचतात, ज्यामुळे अचूक मशीनिंग आणि वाढीव सेवा जीवन शक्य होते. अनुप्रयोगांमध्ये खालील गोष्टींचा समावेश आहे:
कार्बन स्टील निवडताना तीन गोष्टींचा विचार करा:
ज्या प्रकल्पांमध्ये मजबुती आणि गुळगुळीतपणा दोन्हीची आवश्यकता असते, त्यामध्ये मध्यम कार्बन स्टील्स, ज्यांना थंड करून आणि टेम्परिंग करून कठोर केले जाते, ते अनेकदा सर्वोत्तम संतुलन प्रदान करतात.
कार्बन स्टीलचे मुख्य यांत्रिक गुणधर्म काय आहेत? कार्बन स्टीलची वैशिष्ट्ये म्हणजे ताणण्याची शक्ती, उत्पन्न शक्ती आणि कडकपणाची पातळी, जे त्याची टिकाऊपणा, आकार आणि पोशाख प्रतिकार निर्धारित करतात.
कार्बन सामग्रीचा स्टीलच्या सामर्थ्यावर कसा परिणाम होतो? कार्बन सामग्री वाढल्याने सामान्यतः ताणण्याची शक्ती वाढते परंतु डक्टिलिटी कमी होते, ज्यामुळे स्टीलच्या एकूण कार्यक्षमतेवर परिणाम होतो.
कार्बन स्टीलला मजबूत करण्यासाठी उष्णता उपचाराने काय भूमिका बजावली आहे? थर्मल ट्रीटमेंट प्रक्रिया जसे की थंड करणे आणि टेम्परिंग ही कार्बन स्टीलची सूक्ष्म रचना सुधारून त्याची शक्ती आणि कडकपणा वाढवते.
कार्बन स्टीलचे औद्योगिक उपयोग काय आहेत? कार्बन स्टीलचा वापर बांधकाम, ऑटोमोटिव्ह उत्पादन आणि साधन निर्मितीमध्ये त्याच्या सामर्थ्य, कडकपणा आणि अष्टपैलुत्वमुळे मोठ्या प्रमाणात केला जातो.
2025-01-03
2024-10-23
2024-11-15