خواص فیزیکی و مکانیکی ورق سیاه

ورق سیاه نوعی فولاد است که سطح آن به دلیل وجود اکسید آهن، تیره رنگ است. این ورق به طور گسترده در صنایع مختلف مانند ساخت و ساز، خودرو و کشتی سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ورق‌ها اگرچه ممکن است ساده به‌نظر برسند، ولی دنیایی از خواص و ویژگی‌ها در آن‌ها وجود دارد که نه تنها استحکام آن را تعریف می‌کنند، بلکه روی تطبیق‌پذیری و کاربرد آن‌ها هم تاثیر می‌گذارند. بنابراین، برای اطمینان از عملکرد مناسب، استحکام بالا و دوام مطلوب آن، درک خواص فیزیکی و مکانیکی آن‌ها ضروری است. در این پست به بررسی برخی از خواص کلیدی ورق سیاه و تأثیر آنها بر رفتار و کاربردهای آن خواهیم پرداخت.

ویژگی‌های مهم ورق سیاه

• استحکام کششی

حداکثر نیرویی است که ورق سیاه می‌تواند قبل از شکستن تحمل کند. استحکام کششی ورق سیاه به عوامل متعددی از جمله ترکیب شیمیایی، عملیات حرارتی و ضخامت آن بستگی دارد. به طور کلی، ورق سیاه به دلیل تشکیل یک لایه سخت از اکسید آهن روی سطح آن، استحکام کششی بالاتری نسبت به فولاد کربنی معمولی دارد.

• استحکام تسلیم

نیرویی است که در آن ورق سیاه شروع به تغییر شکل دائمی‌می‌کند. استحکام تسلیم ورق سیاه به استحکام کششی آن مربوط می‌شود، اما همچنین به میزان کار (نورد) سرد انجام شده روی ورق‌ها و برخی عوامل دیگر نیز بستگی خواهد داشت. استحکام تسلیم ورق سیاه برای طراحی سازه‌ها و قطعاتی که نیاز به تحمل بارهای زیاد بدون تغییر شکل دائمی‌دارند، اهمیت زیادی دارد.

• چکش خواری

یکی دیگر از خواص مکانیکی ورق سیاه است که توانایی آن در کشیده یا خم شدن بدون شکستن را اندازه گیری می‌کند. چکش خواری تحت تأثیر اندازه دانه، دما و سرعت کرنش ماده قرار دارد. چکش خواری برای ورق سیاه مهم است زیرا به آن اجازه می‌دهد تا ایجاد بدون ترک یا شکستگی، به شکل و اندازه‌های مختلف تبدیل شوند.

• سختی

یک خاصیت فیزیکی ورق سیاه است که مقاومت آن در برابر تورفتگی یا سایش را نشان می‌دهد. سختی با استفاده از روش‌های مختلفی مانند تست‌های برینل، راکول یا ویکرز اندازه‌گیری می‌شود. اگرچه میزان سختی این ورق‌ها در ارتباط با استحکام کششی و چکش‌خواری آن‌ها است، اما همچنین به ریزساختار و وضعیت سطحی این ورق‌ها نیز بستگی دارد. سختی یکی از ویژگ‌های مهم این ورق‌های فولادی است، زیرا بر مقاومت سایشی و امکان ماشین‌کاری آن‌ها تأثیر می‌گذارد.

• مقاومت در برابر ضربه

یکی دیگر از خواص فیزیکی ورق سیاه است که توانایی آن در جذب انرژی از ضربه‌های ناگهانی و پاره نشدن ورق را اندازه‌گیری می‌کند. مقاومت در برابر ضربه با استفاده از آزمایش های مختلف مانند آزمایش های Charpy یا Izod تعیین می‌شود. مقاومت در برابر ضربه تحت تأثیر دما، هندسه و نرخ کرنش (تغییرات شکل نسبت به زمان) ماده قرار می‌گیرد. مقاومت در برابر ضربه برای ورق سیاه حیاتی است زیرا روی عوامل دیگری مثل سختی شکست و مقاومت در برابر خستگی آن تأثیر می‌گذارد. برای آشنایی کامل با سایر ویژگی‌ها و مشخصات این محصولات می‌توانید مقاله‌ی ورق سیاه چیست را مطالعه کنید.

رطوبت‌گیری و مقاومت در برابر خوردگی

ورق سیاه به دلیل وجود اکسید آهن روی سطحش، مستعد زنگ‌زدگی است. زنگ‌زدگی یک واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی است که با ایجاد زنگ یا سایر ترکیبات باعث تخریب ماده (در اینجا ورق فولادی) می‌شود. زنگ‌زدگی می‌تواند خواص فیزیکی و مکانیکی ورق سیاه را با کاهش استحکام، چکش خواری، سختی و مقاومت در برابر ضربه تحت تاثیر قرار دهد.

چه مکانیسم‌هایی باعث آسیب به ورق سیاه می‌شود؟

چندین مکانیسم وجود دارد که می‌تواند باعث خوردگی در ورق سیاه شود. مکانیسم‌هایی مثل خوردگی یکنواخت، خوردگی حفره‌ای، خوردگی شکاف، خوردگی گالوانیکی، ترک خوردگی ناشی از تنش خوردگی یا تردی هیدروژنی را می‌توان به عنوان چند مثال معرفی کرد. از سوی دیگر، سرعت و میزان این آسیب و خوردگی‌ها به عوامل مختلفی مانند محیط، مدت زمان قرار گرفتن در معرض عوامل موثر، سطح pH، غلظت اکسیژن، میزان کلرید و وجود سایر فلزات یا مواد شیمیایی در ورق بستگی دارد.

رطوبت‌گیری ورق سیاه

رطوبت‌گیری یا همان جذب (Moisture absorption) رطوبت عامل دیگری است که می‌تواند بر خواص فیزیکی و مکانیکی ورق سیاه تأثیر بگذارد. منظور از رطوبت‌گیری ، مقدار آبی است که به داخل این ورق‌ها نفوذ می‌کند. نفوذ آب باعث ایجاد تغییرات در حجم، ایجاد تورم، ترک‌خوردگی یا ورقه ورقه شدن ماده شود. از سوی دیگر، این رطوبت احتمالاً است باعث واکنش با سطح ماده و ایجاد زنگ‌زدگی هم خواهد شد. رطوبت‌گیری ورق سیاه به عوامل مختلفی مانند تخلخل، نفوذپذیری، دما، رطوبت و مدت زمان قرار گرفتن این فولادها در معرض آب یا همان رطوبت بستگی دارد. برای جلوگیری از این مشکل عموماً از انواع پوشش‌های محافظ استفاده می‌شود که مانع از ورود آب می‌شوند. در مجموع، ساده‌ترین روش این است که در انتخاب محل‌ نگهداری ورق‌ها دقت بیشتری به خرج داده و از تماس آن‌ها با رطوبت اجتناب شود.

از سوی دیگر، فرآیند دیگری هم صنعت فولاد به نام رطوبت‌گیری (dehumidification) شناخته می شود که برعکس مورد قبلی است. این نوع رطوبت‌گیری که به آن می‌توانیم خشک‌سازی هم بگوییم، فرآیندی است که برای حذف رطوبت از هوا به منظور کاهش رطوبت نسبی (RH) و جلوگیری از خوردگی، رشد کپک و سایر مشکلات انجام می‌شود. در فولاد نورد گرم، خشک‌سازی هوا اغلب قبل و در طول فرآیند پرداخت سطح و پوشش استفاده می‌شود تا اطمینان حاصل شود که یک روکش باکیفیت حاصل شده و از ایجاد نقص جلوگیری می‌شود. خشک‌سازی هوا را می‌توان با استفاده از تجهیزات مختلف انجام داد. خشک‌سازی هوا به ویژه در آب و هوای مرطوب و برای محصولات فولادی که نیاز به کنترل دقیق رطوبت دارند، مهم است.

روش‌های افزایش مقاومت ورق سیاه در برابر خوردگی

ورق سیاه به دلیل محتوای کربن بالای خود، مقاومت نسبتاً کمی‌ در برابر خوردگی دارد. برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی این نوع ورق، می‌توان از روش‌های مختلفی استفاده کرد، از جمله:

• آلیاژسازی

اضافه کردن عناصر دیگر به ترکیب فولاد می‌تواند مقاومت آن را در برابر خوردگی بهبود بخشد. برخی از عناصر آلیاژی رایج که برای این منظور استفاده می‌شوند، عبارتند از:

• • منگنز: افزایش مقاومت در برابر خوردگی، کاهش تردی، بهبود شکل‌پذیری
  • سیلیسیم: افزایش مقاومت در برابر خوردگی، کاهش اکسیداسیون در دماهای بالا
  • کروم: افزایش مقاومت در برابر خوردگی، کاهش جذب رطوبت
• عملیات حرارتی

عملیات حرارتی مانند سخت‌کاری و آنیل می‌تواند ریزساختار ورق سیاه را اصلاح کرده و مقاومت آن را در برابر خوردگی بهبود بخشد.

• درمان سطحی

روش‌های درمان سطحی مانند تمیز کردن، صیقل دادن یا سندبلاست می‌تواند ناخالصی‌ها و آلودگی‌های سطح ورق را حذف کرده و مقاومت آن را در برابر خوردگی افزایش دهد.

• پوشش‌دهی

پوشش‌دهی با موادی مانند رنگ، روی یا سایر مواد می‌تواند ورق سیاه را از محیط خورنده محافظت کرده و مقاومت آن را در برابر خوردگی افزایش دهد. انواع مختلفی از پوشش‌های محافظ برای ورق سیاه وجود دارد که هر کدام دارای مزایا و معایب خاص خود هستند و تاثیر خاصی روی قیمت ورق سیاه می‌گذارند. برخی از پوشش‌های رایج عبارتند از رنگ، فلز روی و فلوروپلیمر. البته موارد دیگری مثل رزین اپوکسی، رزین پلی اورتان، رزین اکریلیک یا رزین سیلیکون هم استفاده می‌شوند.

این پوشش ها دارای خواص متفاوتی مانند چسبندگی، انعطاف پذیری، دوام، براقیت، حفظ رنگ، مقاومت در برابر اشعه UV و مقاومت شیمیایی هستند. انتخاب پوشش به کاربرد و الزامات عملکردی ورق سیاه بستگی دارد. انتخاب پوشش محافظ مناسب برای ورق سیاه به عوامل مختلفی مانند کاربرد ورق، شرایط محیطی و بودجه بستگی دارد. در مقاله‌ جداگانه‌ای به صورت تخصصی به موضوع روش‌های پوشش دهی و حفاظت ورق سیاه پرداخته‌ایم.

انواع آزمایش مقاومت در برابر خوردگی ورق سیاه

برای ارزیابی مقاومت ورق سیاه در برابر خوردگی، می‌توان از روش‌های مختلفی استفاده کرد، از جمله:

• آزمایش افشانه نمک

در این آزمایش، ورق سیاه در معرض بخار نمک قرار می‌گیرد تا میزان خوردگی آن ارزیابی شود.

• آزمایش رطوبت

در این آزمایش، ورق سیاه در معرض رطوبت قرار می‌گیرد تا میزان خوردگی آن ارزیابی شود.

• آزمایش غوطه‌وری

در این آزمایش، ورق سیاه در یک محلول خورنده غوطه‌ور می‌شود تا میزان خوردگی آن ارزیابی شود.

• آزمایش پیرسازی تسریع شده

در این آزمایش، ورق سیاه در شرایطی قرار می‌گیرد که خوردگی آن را تسریع می‌کنند تا میزان مقاومت آن در برابر خوردگی ارزیابی شود. نتایج این آزمایش‌ها می‌تواند به انتخاب پوشش محافظ مناسب برای ورق سیاه کمک کند. 

تاثیر دمای انحنا و حرارت بر ورق سیاه

خواص فیزیکی و مکانیکی ورق سیاه به شکل بسیار چشمگیری تحت تاثیر خم شدن و گرما قرار می‌گیرد. در این بخش به بررسی این موضوع می‌پردازیم که خم شدن و گرما چطور بر این خواص تاثیر می‌گذارد.

رفتار ورق سیاه تحت فشار خم شدن

خم شدن یک فرآیند است که شامل اعمال نیرو به یک ماده برای تغییر شکل آن می‌شود. تنش خم شدن در واقع همان نیروی داخلی است که باعث مقاومت ورق‌ها در برابر تغییر شکل و خم شدن می‌شود. هنگامی‌که ورق سیاه خم می‌شود، همزمان دچار تغییر شکل الاستیک و پلاستیک می‌شود. تغییر شکل الاستیک برگشت پذیر است، به این معنی که وقتی نیرو برداشته می‌شود، ماده به شکل اولیه خود باز می‌گردد. تغییر شکل پلاستیک برگشت پذیر نیست، به این معنی که ماده حتی پس از برداشتن نیرو، شکل جدید خود را حفظ می‌کند.

مقدار تنش خم شدن که ورق سیاه می‌تواند تحمل کند به چندین عامل مانند ضخامت، عرض، طول، شعاع انحنای آن و استحکام تسلیم بستگی دارد. استحکام تسلیم حداکثر تنشی است که یک ماده می‌تواند قبل از شروع تغییر شکل پلاستیک تحمل کند. هرچه استحکام تسلیم بالاتر باشد، ماده در برابر خم شدن مقاوم تر است. 

تاثیرات تغییرات دما روی ورق مشکی

تأثیر تغییرات دما بر ورق فولادی سیاه می‌تواند خواص فیزیکی و مکانیکی آن را به‌طور محسوسی تغییر دهد. هنگامی که دما افزایش می‌یابد، ورق منبسط شده، نرم تر، قابل شکل‌دهی‌تر و چکش‌خوارتر می‌شود. اندازه گیری چکش‌خواری توانایی ماده برای مقاومت در برابر کشش بدون شکست را نشان می‌دهد. از سوی دیگر، با کاهش دما، ورق منقبض، سفت تر و شکننده تر می‌شود. 

تغییرات انبساط و انقباض ورق سیاه ناشی از تغییرات دما می‌تواند منجر به تغییرات ابعادی، تنش‌های حرارتی و ترک خوردگی گردد. تغییرات ابعادی، تغییراتی در اندازه یا شکل ماده به دلیل تغییرات انبساط یا انقباض حرارتی هستند. تنش‌های حرارتی نیروهای داخلی‌ای هستند که از اختلاف انبساط یا انقباض در بخش‌های مختلف ماده به وجود می‌آیند. همچنین، ترک خوردگی ناشی از تنش‌های حرارتی بیش از حد یا شکنندگی ماده به وجود می‌آید که باعث ایجاد ترک یا شکستگی در ماده می‌شود.

فرایندهای عملیات حرارتی و اثرات آنها

عملیات حرارتی فرآیندی است که شامل گرم کردن و سرد کردن یک ماده برای تغییر خواص فیزیکی و مکانیکی آن می‌شود. عملیات حرارتی می‌تواند جنبه‌های مختلف ورق سیاه مانند سختی، استحکام، چقرمگی، چکش خواری، مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر خوردگی و ساختار دانه را بهبود بخشیده یا اصلاح کند. منظور از ساختار دانه، همان ریزساختار یا  آرایش کریستال‌های میکروسکوپی است که ماده را تشکیل می‌دهند. برای ورق سیاه انواع مختلفی از فرآیندهای عملیات حرارتی وجود دارد، مانند بازپخت، نرماله کردن، آب‌دهی، تمپر کردن و سخت کردن موضعی. هر فرآیندی هدف و اثر متفاوتی بر روی ماده دارد. این فرآیندها را می‌توان به صورت زیر ساماندهی کرد:

• بازپخت (Annealing)

فرآیندی است که شامل گرم کردن ماده تا دمای بالا و سپس به آرامی سرد کردن آن می‌شود. بازپخت سختی و استحکام ورق سیاه را کاهش می‌دهد، اما چکش خواری و چقرمگی آن را افزایش می‌دهد. بازپخت همچنین تنش‌های داخلی را برطرف می‌کند و ساختار دانه ماده را بهبود می‌بخشد.

• نرماله کردن (Normalizing)

شامل گرم کردن ماده تا دمای بالا و سپس سرد کردن آن در هوا می‌شود. نرماله کردن خواص اولیه ورق سیاه را پس از تغییر شکل ناشی از خم شدن یا سایر فرآیندها بازیابی می‌کند. نرماله کردن همچنین ساختار دانه را ریزتر می‌کند و یکنواختی ماده را بهبود می‌بخشد.

• آبدهی (Quenching)

شامل گرم کردن ماده تا دمای بالا و سپس سرد کردن سریع آن در آب یا روغن است. سخت کردن سختی و استحکام ورق سیاه را افزایش می‌دهد، اما چکش خواری و چقرمگی آن را کاهش می‌دهد. آب‌دهی همچنین یک ساختار مارتنزیتی در ماده ایجاد می‌کند که بسیار سخت اما شکننده است.

• برگشت دادن یا تمپر کردن (Tempering)

شامل گرم کردن مجدد ماده سخت شده تا دمای پایین تر و سپس سرد کردن آن به آرامی‌است. تمپر کردن شکنندگی را کاهش می‌دهد و چقرمگی ورق سیاه را افزایش می‌دهد.

ترکیب و ریزساختار مواد ورق سیاه

اولین قدم برای درک مقاومت و استحکام این محصولات،بررسی ترکیب و ساختار مواد سازنده‌ی آن‌ها است. به‌طور کلی، اجزاء اصلی ورق سیاه را آهن و کربن تشکیل می‌دهند. البته مقدار کمی‌از عناصر دیگری مثل منگنز، سیلیسیم، فسفر، گوگرد و کروم نیز ممکن است در ساختار آن وجود داشته باشد. میزان کربن بسته به درجه و کاربرد فولاد ممکن است از 0.12٪ تا 2٪ متغیر باشد. هرچه میزان کربن بیشتر باشد، فولاد سخت‌تر و قوی‌تر می‌شود، اما در عین حال شکننده‌تر شده و چکش خواری کمتری نیز خواهد داشت.

برای درک عمیق‌تر از مقاومت و استحکام ورق سیاه باید آن‌ها را در سطح ریزساخت هم بررسی کنیم. ولی پیش از آن باید فرق بین «اجزاء» و «زیرساخت» را درک کنیم. اجزا، بلوک‌های سازنده یک ماده هستند، در حالی که ریزساخت‌ها، نحوه قرارگیری این بلوک‌های سازنده را نشان می‌دهند. ریزساخت در واقع نحوه قرارگیری این اجزا در سطح میکروسکوپی بوده و به اندازه، شکل و توزیع دانه‌ها و سایر ویژگی‌های موجود در ماده اشاره دارد. ریزساختار ورق سیاه از فازها یا اشکال مختلف آلیاژهای آهن-کربن مانند فریت، پرلیت، باینیت، مارتنزیت و سمنتیت تشکیل شده است. نسبت و توزیع این فازها بر خواص مکانیکی فولاد تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، فریت یک فاز نرم و چکش خوار است که شکل‌پذیری و جوش‌پذیری خوبی را فراهم می‌کند، در حالی که مارتنزیت یک فاز سخت و شکننده است که استحکام و سختی بالایی را ارائه می‌دهد.

ریزساختار ورق سیاه همچنین به اندازه دانه یا اندازه کریستال‌های جداگانه‌ای که ماده را تشکیل می‌دهند، بستگی دارد. هرچه اندازه دانه کوچکتر باشد، استحکام و چقرمگی فولاد بیشتر می‌شود،‌ چراکه فاصله بین آن‌ها کمتر بوده و به اصطلاح بیشتر چفت یکدیگر می‌شوند. اندازه دانه را می‌توان با فرآیندهای مختلف مانند کار سرد یا عملیات حرارتی کنترل کرد.

استحکام ورق سیاه

استحکام یکی از مهمترین خواص ورق سیاه است، زیرا مقاومت آن در برابر تغییر شکل و شکست در برابر نیروهای خارجی را تعیین می‌کند. سه نوع استحکام اصلی وجود دارد که برای ورق سیاه مرتبط هستند: استحکام کششی، استحکام تسلیم و استحکام نهایی. این سه مورد را در ابتدای مقاله بررسی کرده بودیم.

خواص استحکامی‌ ورق سیاه به عوامل مختلفی مانند ترکیب، ریزساختار، تاریخچه پردازش و شرایط آزمایش بستگی دارد. به طور کلی، ورق سیاه به دلیل میزان کربن بالا و فازهای سخت کننده، در مقایسه با سایر انواع فولاد، استحکام کششی، استحکام تسلیم و استحکام نهایی بالایی دارد.

عوامل موثر بر استحکام ورق سیاه

خواص استحکامی‌ ورق سیاه را می‌توان با عوامل مختلفی مانند عناصر آلیاژی و عملیات حرارتی تحت تأثیر قرار داد.

عناصر آلیاژی عناصر اضافی هستند که به آلیاژهای آهن-کربن اضافه می‌شوند تا خواص آنها را تغییر دهند. برخی از عناصر آلیاژ رایج برای ورق سیاه منگنز، سیلیسیم، فسفر، گوگرد و کروم هستند. این عناصر بسته به مقدار و تعامل آنها با سایر عناصر می‌توانند اثرات متفاوتی بر خواص استحکامی‌داشته باشند. به عنوان مثال، منگنز سخت پذیری یا توانایی تشکیل فازهای سخت کننده مانند مارتنزیت در ورق سیاه را افزایش می‌دهد. منگنز همچنین با کاهش تشکیل سمنتیت یا کاربید آهن، چکش خواری و چقرمگی را بهبود می‌بخشد. برخی از آلیاژهای رایج ورق سیاه عبارتند از:

• منگنز

استحکام و سختی را افزایش می‌دهد و همچنین چقرمگی و شکل‌پذیری آن را بهبود می‌بخشد.

• سیلیکون

استحکام و سختی را افزایش می‌دهد و همچنین مقاومت آن را در برابر اکسیداسیون در دماهای بالا بهبود می‌بخشد.

• فسفر

استحکام و سختی را افزایش می‌دهد، اما چقرمگی و شکل‌پذیری آن را کاهش می‌دهد.

• گوگرد

قابلیت ماشین‌کاری را بهبود می‌بخشد، اما مقاومت آن را در برابر خوردگی و جوشکاری کاهش می‌دهد.

• کروم

استحکام و سختی را افزایش می‌دهد و همچنین مقاومت آن را در برابر خوردگی بهبود می‌بخشد.

  انواع شکست در ورق سیاه

برای درک بهتر مقاومت و استقامت این ورق فولادی سیاه، لازم است به موضوع شکست و انواع آن نیز توجه داشته باشیم. به صورت کلی، شکست به دو نوع اصلی تقسیم می‌شود:

• شکست نرم (Ductile failure)

شکستی که در اثر اعمال تنش‌های کششی یا خمشی در دمای بالا ایجاد می‌شود.

• شکست ترد (Brittle failure)

شکستی که در اثر اعمال تنش‌های ضربه‌ای ایجاد می‌شود.

شکست ترد معمولاً در ورق سیاه با محتوای کربن بالا رخ می‌دهد. این نوع شکست با تشکیل ترک‌های ریز در سطح ورق شروع می‌شود و به تدریج گسترش می‌یابد. شکست ترد یا گسیختگی ترد معمولاً در ورق سیاه با محتوای کربن کم رخ می‌دهد. این نوع شکست به طور ناگهانی و بدون هیچ هشداری رخ می‌دهد.

نتیجه‌گیری

خواص فیزیکی و مکانیکی ورق سیاه به عوامل مختلفی مانند ترکیب شیمیایی، عملیات حرارتی و شرایط استفاده بستگی دارد. با درک این عوامل می‌توان ورق سیاه مناسب را برای کاربردهای مختلف تولید و انتخاب کرد. در این مقاله به بررسی ویژگی‌های فیزیکی این ورق‌ها پرداختیم و نحوه بهینه‌سازی آن‌ها را مرور کردیم. برای خرید ورق سیاه و دریافت جدیدترین قیمت‌ها، می‌توانید با کارشناسان فروش پیوان در ارتباط باشید.