فولاد سازی،شمش،شمشال،شمشه،تختال،فولاد تریپ،عیوب ریخته گری فولاد،قالب و ماهیچه برای فولاد ریزی

اصطلاح فولاد یاپولاد برای آلیاژهای آهن که بین ۰/۰۲۵ تا حدود ۲ درصد کربن دارند بکار می‌رود فولادهای آلیاژی غالبا با فلزهای دیگری نیز همراهند. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژ دهنده موجود در آن بستگی دارد.
کاربرد انواع مختلف فولاد
از فولادی که تا ۰٫۲ درصد کربن دارد، برای ساختن سیم، لوله و ورق فولاد استفاده می‌شود. فولاد متوسط ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار می‌برند. فولادی که ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد کربن دارد، سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده می‌شود. فولاد، انواع فراوانی دارد. که همه آن موارد در جدول کلید فولاد قابل دسترس می باشد.
ناخالصی‌های آهن و تولید فولاد
آهنی که از کوره بلند خارج می‌شود، چدن نامیده می‌شود که دارای مقادیری کربن، گوگرد، فسفر، سیلیسیم، منگنز و ناخالصی‌های دیگر است. در تولید فولاد دو هدف دنبال می‌شود:
سوزاندن ناخالصی‌های چدن
افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن
منگنز، فسفر و سیلیسیم در چدن مذاب توسط هوا یا اکسیژن به اکسید تبدیل می‌شوند و با کمک ذوب مناسبی ترکیب شده، به صورت سرباره خارج می‌شوند. گوگرد به صورت سولفید وارد سرباره می‌شود و کربن هم می‌سوزد و مونوکسید کربن (CO) یا دی‌اکسید کربن (CO۲) در می‌آید. چنانچه ناخالصی اصلی منگنز باشد، یک کمک ذوب اسیدی که معمولاً دی‌اکسید سیلسیم (SiO۲) است، بکار می‌برند:
MnO + SiO۲ ----> MnSiO۳
و چنانچه ناخالصی اصلی سیلسیم یا فسفر باشد (و معمولاً چنین است)، یک کمک ذوب بازی که معمولاً اکسید منیزیم (MgO) یا اکسید کلسیم (CaO) است، اضافه می‌کنند:
MgO + SiO۲ ----> MgSiO۲
۶MgO + P۴O۱۰ ----> ۲Mg۳(PO۴)۲
کوره تولید فولاد و جدا کردن ناخالصی‌ها
معمولاً جداره داخلی کوره‌ای را که برای تولید فولاد بکار می‌رود، توسط آجرهایی که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند، می‌پوشانند. این پوششی مقداری از اکسیدهایی را که باید خارج شوند، به خود جذب می‌کند. برای جدا کردن ناخالصی‌ها، معمولاً از روش کوره باز استفاده می‌کنند. این کوره یک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن ۱۰۰ تا ۲۰۰ تن آهن مذاب جای می‌گیرد.
بالای این ظرف، یک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روی سطح فلز مذاب منعکس می‌کند. جریان شدیدی از اکسیژن را از روی فلز مذاب عبور می‌دهند تا ناخالصی‌های موجود در آن بسوزند. در این روش ناخالصیها در اثر انتقال گرما در مایع و عمل پخش به سطح مایع می‌آیند و عمل تصفیه چند ساعت طول می‌کشد، البته مقداری از آهن، اکسید می‌شود که آن را جمع‌آوری کرده، به کوره بلند باز می‌گردانند.
روش دیگر جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن
در روش دیگری که از همین اصول شیمیایی برای جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن استفاده می‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه وماده کمک ذوب در کوره‌ای بشکه مانند که گنجایش ۳۰۰ تن بار را دارد، می‌ریزند. جریان شدیدی از اکسیژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدایت می‌کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه، همواره سطح تازه‌ای از فلز مذاب را در معرض اکسیژن قرار می‌دهند.
اکسایش ناخالصی‌ها بسیار سریع صورت می‌گیرد و وقتی محصولات گازی مانند CO۲ رها می‌شوند، توده مذاب را به هم می‌زنند، بطوری که آهن ته ظرف، رو می‌آید. دمای توده مذاب، بی آنکه از گرمای خارجی استفاده شود، تقریباً به دمای جوش آهن می‌رسد و در چنین دمایی، واکنشها فوق‌العاده سریع بوده، تمامی این فرایند، در مدت یک ساعت یا کمتر کامل می‌شود و معمولاً محصولی یکنواخت و دارای کیفیت خوب بدست می‌آید.
تبدیل آهن به فولاد آلیاژی
آهن مذاب تصفیه شده را با افزودن مقدار معین کربن و فلزهای آلیاژ دهنده مثل وانادیم، کروم، تیتانیم، منگنز و نیکل به فولاد تبدیل می‌کنند. فولادهای ویژه ممکن است مولیبدن، تنگستن یا فلزهای دیگر داشته باشند. این نوع فولادها برای مصارف خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در دمای زیاد، آهن و کربن با یکدیگر متحد شده، کاربید آهن (Fe۳C) به نام «'سمنتیت» تشکیل می‌دهند. این واکنش، برگشت‌پذیر و گرماگیر است:
Fe۳C <---- گرما + ۳Fe + C
هرگاه فولادی که دارای سمنتیت است، به کندی سرد شود، تعادل فوق به سمت تشکیل آهن و کربن، جابجا شده، کربن به صورت پولکهای گرافیت جدا می‌شود. این مکانیزم در چدن‌ها که درصد کربن در آنها بیشتر است، اهمیت بیشتری دارد. برعکس، اگر فولاد به سرعت سرد شود، کربن عمدتاً به شکل سمنتیت باقی می‌ماند. تجزیه سمنتیت در دمای معمولی به اندازه‌ای کند است که عملاً انجام نمی‌گیرد. وباسرد کردن سمنتیت فولاد را به وجود می آورند.

فولاد تریپ (به انگلیسی: TRIP steel)‏ یا فولاد با پلاستیسیته حاصل از استحاله (به انگلیسی: TRansformation Induced Plasticity Steel)‏ نوعی فولاد است که در آن از خواص حاصل از استحاله مارتنزیتی در طی تغییر شکل پلاستیک استفاده می‌شود. این فولادها به کمک عناصر محلول پایدارساز، عمدتاً از فاز اوستنیت تشکیل شده‌اند اما در اثر اعمال تنش فاز مارتنزیت در آنها ایجاد می‌شود.زیرساختار فولادهای تجاری تریپ شامل فریت، بینیت و اوستنیت است.
پدیده تریپ برای اولین بار توسط زکای و همکاران ایشان در سال ۱۹۶۷ در فولادهای تمام اوستنیتی با درصد نیکل و کروم بالا مشاهده شد.ماتسومورا و همکاران ایشان در سال ۱۹۸۷ این پدیده را در فولادهای دارای درصد اوستنیت کم با ۵۰-۶۰٪ فریت آلوتریومورفیک کشف کردند. این فولادها TRIP-assisted Steel نامیده می‌شوند.
خواص مکانیکی
تغییرات ازدیاد طول (کرنش) یکنواخت و ازدیاد طول کل فولاد تریپ Fe–15Mn–3Al–3Si wt% به عنوان تابعی از دما؛ نرخ کرنش ε=10-4.s-1
تغییرات استحکام کششی و استحکام تسلیم ۰٫۲% فولاد تریپ Fe–15Mn–3Al–3Si wt% به عنوان تابعی از دما؛ نرخ کرنش ε=10-4.s-1
خواص مکانیکی فولادهای تریپ به عوامل متعددی از جمله ترکیب، دما، عملیات حرارتی و مکانیکی انجام‌شده بر روی قطعات بستگی دارد.پدیدهٔ تریپ باعث می‌شود که چکش‌خواری این فولادها توسط استحالهٔ مارتنزیتی افزایش یافته و گردنی‌شدن به تاخیر بیفتد. چندفازی بودن ریزساختار فولادهای تریپ نیز در بهبود خواص مکانیکی آنها بسیار موثر است.

تاریخ فولاد
ایرانیان قدیم برای آهن ورزیده و فولاد آبپذیر کلمات جداگانه‌ای داشتند. آهن ورزیده را آهن و فولاد آبپذیر را در زبان کهن ایران پولاد می‌نامیدند. در گورستان تپه سیلک که محققاً می‌توان آن را متعلق به ۱۲۰۰ تا ۱۰۰۰ پیش از مسیح دانست، اشیای باستانی باارزشی کشف شده‌است. یکی از آنها شمشیری است که دست و قبضهٔ آن از مفرغ ساخته شده و یک تیغهٔ فولادی نازک، روی مفرغ، پرچ شده‌است. همچنین در این گورستان چنگک‌های فولادینی یافت شده که با استادی تمام چکش کاری شده‌است.
یکی از فلزکاران روسیه شمشیرهای اصیل کهن ایرانی را با روش عکسبرداری میکروسکوپی تجزیه کرد و به این نتایج رسید که:
1- آنچه که در قرون وسطی با نام فولاد موج‌دار در اروپا رایج شد، در روسیه به نام ایرانی آن بولات یا پولاد معروف بود.
2- این نوع فولاد موج دار دارای سطح آبگونه‌ای شکیلی است که با بیشتر فولادهای ورقه‌ای مواج فرق دارد.
3-  روس ها معتقدند که فولاد موج دار در هند اختراع شد و بعد به ایران آمد. اما این تحقیقات تفاوت ساخت فولاد ایرانی و فولاد هندی را مشخص می‌کند.
در سدهٔ سوم میلادی از گاهنامه کوکویائو چنین بر می‌آید که چین در زمان ساسانیان، فولاد را از ایران وارد می‌کرد. این کتاب به ویژه از خطوط مارپیچی که در رویهٔ فولاد ایرانی بود سخن می‌گوید از اینرو باید گفت که آهنی که از ایران وارد چین می‌شد، موج‌دار بوده‌است. این امر شک جوزف نیدهام محقق صنعت آهن و فولاد در چین را تبدیل به یقین کرد که فن موجدار کردن اگر از ووتز هند نباشد، از ایران پدید آمده‌است.
فولاد پارتی یا ایرانی که رومی‌ها اغلب از آن سخن گفته‌اند پس از فولاد هند در دنیا اول بود. و امروز بر این باورند که این فولاد از راه قالگذاری صفحه‌های صاف آهن ورزیده با گرد زغال‌چوب در بوته‌ها ساخته می‌شد. این روش تولید بعدها به عربستان، بین‌النهرین و دمشق و بالاخره به شهر تولدو در اسپانیا که مرکز دانش و فنون اسلامی بود، نیز سرایت نمود.

محصولات نیمه ساخته فولاد
شمش
شمش (به انگلیسی: Ingot)‏ به قالب‌های کوچکتر فلزات گفته می‌شود که برای طلا و مس و آلومینیوم و نمونه‌های آزمایشگاهی کاربرد زیادی دارد.
یک شمش آلومینیوم
شمشال
شِمشال (به انگلیسی: Billet)‏ از فرآورده‌های میانی نورد فولاد است که سطح مقطع آن کوچک‌تر از ۲۲۵ سانتیمتر مربع است.به فرآورده‌هایی با سطح مقطع بزرگ ‌تر از ۲۲۵ س.م. شمش گفته می‌شود.
چند شاخه ‌شمشال فولاد
شمشه
شمشه (به انگلیسی: Bloom)‏ به شمشال خیلی شبیه است با این تفاوت که سطح مقطع آن بزرگتر از ۲۳۰ سانتیمتر مربع است.
تختال
تَختال (به انگلیسی: Slab)‏ قطعه‌ای مکعب مستطیل از فولاد معمولاً به ضخامت ۲۳۰ میلیمتر و عرض ۱٫۲۵ متر و طول ۱۲ متر است. تختال یکی از محصولات میانی برخی کارخانه‌های فولادسازی است که از آن برای تولید فولاد ورق استفاده می‌شود.

ریخته ‌گری فولاد
فولاد مستحکم است با محدوده استحکام کششی از 60000تا حدود 280000PSI. فولاد همچنین انعطاف دارد و ترکیبی از استحکام و انعطاف پذیری علاوه بر این فولاد استحکام شکست بالایی دارد و مقاوم به شک است. خواص فولاد کنترل می‌شود به وسیله کنترل محدوده آن به وسیله ترکیب آن، مخصوص درصد کربن آن.
فولاد آلیاژی از آهن و کربن است، که خواص قابل توجهی مانند قابلیت کنترل مجموعه‌ای از خواص با درصد کربن، برای مثال وقتی کربن وجود ندارد، آهن کاملاً نرم و ضعیف است. اگر کربن اضافه شود کمتر از 2/0 تا 3/0 درصد، استحکام افزایشی محسوسی دارد .این اثر کربن روی استحکام کششی و درصد کاهشی سطح مقطع در فولاد ریختگی کربنی ساده.

منحنی‌هایی برای استحکام نهایی و درصد ازدیاد طول نشان می‌دهد که در یک جهت‌اند. توجه به این مفهوم که کنترل خواص، فولاد بیشتر مورد توجه به وسیله کنترل دیگر خواص، برای مثال عملیات حرارتی.اما به طورخلاصه آهن و فولاد متحمل یک تغییر در ساختار شبکه کریستالی می‌شود.