اصطلاح فولاد یا پولاد برای آلیاژهای آهن که بین ۰٫۰۰۲ درصد تا ۲٫۱ درصد وزن خود کربن دارند بکار می‌رود. خواص فولاد به درصد کربن، عناصر آلیاژی و عملیات حرارتی قابل کنترل است. برای ساختن فولاد، دو روش عمده وجود دارد. روش اول استفاده از آهن اسفنجی و کوره‌های قوس الکتریکی برای ذوب آهن اسفنجی و سپس آلیاژسازی است.
روش دوم استفاده از آهن خام (آهن تولید شده در فرایند احیای غیرمستقیم) و سوزاندن کربن اضافی آن است. طی این فرایند میزان کربن آهن خام از بازهٔ ۵٫۳ تا ۶ به ۲٫۰ تا ۱٫۵ درصد وزنی کاهش می‌یابد، سپس عناصر دیگر در آن افزوده می‌شوند تا ترکیب مورد نظر بدست آید.
استحکام فولاد با میزان کربن محلول به شدت افزایش می‌یابد اگرچه این افزایش استحکام با کاهش جوش‌پذیری و افزایش احتمال شکست ترد همراه است. استحکام فولادهای فریتی (فرومغناطیس) رابطه معکوسی با شکل‌پذیری دارد. تلفیق استحکام و شکل‌پذیری با پایدارسازی فاز آستنیت (پارامغناطیس) در فولادهای مدرن چندفازی قابل بهبود است.
فولاد کربور آهن است که با عنصرهای دیگر آلیاژ شده باشد. با سوزاندن کربن آهن خام سفید و همجوش کردن آن با کمی کربن و اندازه کردن عنصرهای دیگر در آن، به دو روش خمیری کردن و ذوب کردن فولاد را می‌سازند.
روش خمیری فولاد
در آغاز صنعت فولادسازی، فولاد به این روش ساخته می‌شد. در این روش آهن خام را در تشت کوره‌ی شعله‌ای گذاشته می‌شود و روی آن شعله دمیده می‌شود تا مذاب شود. آهن‌خام مذاب شده به هم زده می‌شود تا کربن آن با تماس با اکسیژن هوا بسوزد. پس از آن که کربن آن به مقدار قابل توجهی به صورت گاز CO 2 {\displaystyle {\ce {CO2}}} {\displaystyle {\ce {CO2}}}از آن جدا شد، دمای ذوب آن بالا می‌رود و به صورت خمیری درمی‌آید. خمیر فولاد به صورت تکه‌تکه با گازانبر از کوره بیرون آورده می‌شود و با پتک روی آن می‌کوبند تا سرباره تشکیل شده از آن جدا شود و یکپارچه شوند. سپس از فولاد بدست آمده‌استفاده می‌شود. این روش به دلیل آن که ظرفیت تولید کافی نداشته و فولاد به دست آمده همواره کیفیت یکسانسی نداشت دیگر مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.
روش ذوب فولاد
امروزه تقریباً تمامی فولاد جهان از طریق ذوب آهن به روش‌های مختلف به دست می‌آید. این روش‌ها می‌توانند شامل فولادسازی در کنورتور یا فولادسازی در کوره‌های EAF باشد.
در روش‌هایی که از کنوروتور استفاده می‌شود، آهن‌خام مذابی که از که فرایند کوره بلند به دست آمده‌است درون کنورتور ریخته می‌شود تا با استفاده از دمش گاز اکسیژن کربن اضافی آن سوزانده شود. بدین ترتیب کربن فولاد به میزان مورد نظر خواهد رسید. سپس با اضافه کردن عناصر آلیاژی به آن استحکام فولاد افزایش خواهد یافت.
در روش‌هایی که از کوره‌های قوس الکتریکی استفاده می‌کنند، ابتدا آهن اسفنجی تولید شده در فرایند احیای مستقیم درون کوره قوس الکتریکی ریخته می‌شود تا ذوب گردد. دمای این کوره‌ها به حدی است که در همان ذوب اولیه فولاد با درصد کربن نسبتاً پایین تولید می‌شود. سپس فولاد تولید شده درون کورهٔ پاتیلی ریخته می‌شود تا در آنجا عملیات آلیاژسازی انجام شود. این عملیات شامل تنظیم کردن میزان کربن، اضافه کردن عناصر آلیاژی و یکدست‌سازی ترکیب فولاد است.
پس از بدست آمدن ترکیب شیمیایی مورد نظر در فولاد، لازم است که آن را به صورت مورد نیاز ریخته‌گری کرد. در اکثر موارد فولاد بدست آمده به صورت تختال، تیرآهن یا میلگرد ریختگری مداوم می‌گردد.
فولادریزی
برای ساخت برخی قطعات فولادی که شکل پیچیده یا تیراژ کمی دارند لازم است به صورت جداگانه ریختگری انجام شود که در صنعت به آن فولادریزی گفته می‌شود. فرایند ذوب‌ریزی فولاد همانند چدن‌ریزی می‌باشد، چون فولاد مذاب هنگام سرد شدن و انجماد دچار انقباض می‌شود، بایستی قطعات فولادی را از هر سو ۱٫۵٪ تا ۲٪ بزرگ‌تر ساخت تکه شکا پس از انجماد فولاد مذاب، تکهٔ فولادی به اندازهٔ ساخته شده درآید.
آهنگری
آهنگری یا فورجینگ فرآیندی است که در آن با استفاده از نیروی مکانیکی تغیرشکل لازم بر روی فولاد انجام می‌شود. این تغییر شکل روی فولاد می‌تواند طی یک یا چند مرحله توسط پتک‌کاری یا پرس‌کاری انجام شود و شکل نهایی ایجاد گردد. برای افزایش قابلیت شکل‌پذیری معمولاً به فولاد گرما می‌دهند تا به حالت خمیری درآید، سپس آن را با پتک می‌کوبند. یا چکش‌کاری می‌کنند تا به شکل خواسته شده در آید.
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 می‌باشد.
عملیات حرارتی فولادها
فولاد از نظر خواص مناسبی که در عمل دارد، یکی از مهمترین مواد فلزی است.
یکی از دلایل عمده‌ای که می‌توان فولادهایی با خواص مختلف بدست آورد همان
تبدیل ساختمان کریستالی آهن از آلفا به گاما با تغییر درجه حرارت می‌باشد. این تبدیل مطابق با نمودار آهن-کربن می‌تواند در حد زیادی تحت تاثیر کربن قرار گیرد. برای مثال سختی و استحکام در فولادهای سریع سرد شده (آب داده شده) بستگی به میزان درصد کربن موجود در آنها دارد.
– کربن‌دهی سطحی
– بازپخت کامل (آنیلینگ)
– آنیلینگ جهت کروی کردن سمنتیت
– نرماله کردن (نرمالیزاسیون)
– کوئنچ‌کردن
– برگشت دادن (تمپر کردن)
– تنش زدایی
متداول ترین عملیات حرارتی که معمولاً برای فولادها انجام می شود و ما به آن می پردازیم به قرار زیر است:
۱– آنیل کردن: هدف دستیابی به یک ساختار متالورژیکی کاملاً همگن و پایدار (معمولاً فریت و یا پرلیت) و عاری از تنش های پسماند و اثرات کارسرد و جدایش می باشد. قطعات آنیل شده معمولاً بیشترین انعطاف پذیری و کمترین استحکام را دارند. برای آنیل کردن معمولاً بعد از قرار دادن نمونه ها برای مدت زمان مشخص در دمای آستنیته ، در محیط کورۀ خاموش خنک می شوند.
۲- نرماله کردن: در این عملیات حرارتی قطعات در محیط هوا خنک می شوند. به این ترتیب ساختار با دانه بندی ریز بدست خواهد آمد.
۳- کوئنچ و تمپر : پس از سرد کردن سریع فولادها از دمای آستنیت در یک محیط خنک کننده مانند روغن ، آب نمک و … ، فرصت برای تشکیل ساختارهای پایدار داده نمی شود و نهایتاً ساختارهای شبه نا پایدار یعنی مارتنزیت تشکیل می شود. اگرچه به علت حلالیت فوق اشباع کربن و همچنین دانسیتۀ زیاد عیوب کریستالی در شبکه بلوری مارتنزیت، استحکام بسیار زیاد است، اما انعطاف پذیری و مقاومت به ضربه آن کم است. برای دستیابی به خواص مکانیکی بهینه معمولاً ساختارهای مارتنزیتی را در دمایی کمتر از °C 700، حرارت می دهند. به این ترتیب با وجود کاهش کمی در استحکام و سختی ، انعطاف پذیری به مقدار قابل ملاحظه ای زیاد می شود.
اصول و مبانی عملیات حرارتی :
۱- حرارت فولاد تا دمای آستنیتی.
۲- نگهداری فولاد در این دما برای تشکیل فاز آستنیت همگن ( زمان همدما سازی ).
۳- کاهش دمای فولاد با سرعتی مشخص بر اساس خواص مورد نظر.
۴- گرم کردن تا دمای بالا ولی کمتر از دمای بحرانی ( در صورت لزوم ).
تغییر فازها در فولادها به هنگام گرم کردن
پیش از گرم کردن ساختار میکروسکوپی فولاد شامل فریت و پرلیت و کاربیدها است . با حرارت دادن تا رسیدن به دمای بحرانی تغییر فاز با جوانی زنی آستنیت آغاز می شود . با افزایش دما ، فریت و سمانتیت درون آستنیت حل می شوند . پس از حل شدن کار بیدها فاز آستنیت همگن به دست می آید . فرایند آستنینی شدن در دمای بالای به سرعت انجام می گیرد . برای فولادهای هیپریوتکتوئید و هیپویوتکتوئید باید دما را بیشتر افزایش دهیم .