انواع فولاد در ساخت هواپیما

مقدمه فولاد در صنایع هوایی

تصویر شماره ۱ - استفاده از استنلس استیل در ساخت هواپیما

فولاد آلیاژی از آهن است که حاوی کربن و یک یا چند عنصر آلیاژی دیگر می باشد. فولاد کربنی (Carbon Steel) پرکاربردترین متریالی است که برای ساخت سازه های مهندسی مورد استفاده قرار می گیرد. از فولاد کربنی تقریبا در هر صنعتی از اتومبیل سازی گرفته تا صنایع دریایی، ریلی و زیربنایی استفاده می شود. مصرف جهانی فولاد در حدود 100 برابر بیشتر از آلومینیوم است که رتبه دوم در بین فلزات را دارد. در تصویر  زیر می توانید میزان مصرف فلزات مختلف مانند استیل، آلومینیوم، مواد کامپوزیت و منیزیم را در طول قرن بیستم مشاهده کنید. همانطور که دیده می شود مصرف فولاد بیش از 90 درصد مجموع کل سایر فلزات است. هر چند از فولاد در صنعت بسیار استفاده می شود اما کاربرد آن در صنایع هوایی در مقایسه با آلومینیوم و مواد کامپوزیتی محدودتر است. استفاده از فولاد در هلیکوپترها و هواپیماها به 5 تا 8 درصد از کل وزن آنها محدود است. (3 تا 5 درصد حجم)

تصویر شماره ۲ - میزان مصرف مواد مختلف در قرن بیستم 

استفاده از فولاد در هواپیما معمولا به بخش های حساس که نیاز به استحکام بسیار بالا دارد محدود می شود. به عبارت دیگر فولاد زمانی استفاده می شود که استحکام بالا بسیار مهم باشد. فولادهایی که در هواپیما استفاده می شود استحکام تسلیمی بالاتر از 1500-2000 مگاپاسکال دارند که از بالاترین استحکام آلومینیوم (500 – 650 مگاپاسکال)  یا کامپوزیت کربن-اپوکسی شبه ایزوتروپیک (Quasi- isotropic carbon-epoxy) (750-1000 مگاپاسکال) بسیار بالاتر است. علاوه بر استحکام بالا، فولادی که در هواپیما استفاده می شود مدول الاستیک، سختی شکست و مقاومت خستگی بالایی دارد. همچنین عملکرد مکانیکی خود را در دماهای بالا (تا 300-450 درجه سانتیگراد) نیز حفظ می‌کند. این ویژگی ها فولاد را به گزینه‌ای مناسب برای استفاده در سازه ی هواپیماهای سنگین تبدیل می‌کند. هر چند از فولاد بنا به دلایلی که مهمترین آن وزن زیاد آن است در حجم‌های بسیار زیاد استفاده نمی‌شود. چگالی فولاد 7.2 گرم بر سانتیمتر مکعب است یعنی در حجم ثابت 2.5 برابر از آلومینیوم، 1.5 برابر از تیتانیوم و 3.5 برابر  از کامپوزیت کربن-اپوکسی سنگین تر می‌باشد.

علاوه بر مشکل وزن، بیشتر فولادها نسبت به خوردگی حساس هستند که باعث ایجاد حفره، ترک های ناشی از خوردگی و سایر آسیب‌ها می شود. فولادهای با استحکام بالا (High-strength) نیز مستعد تردی هیدروژنی (Hydrogen Embrittlement) ناشی از جذب هیدروژن هستند که نقطه ضعفی برای آن ها به شمار می‌آید. غلظت بسیار کم هیدروژن حتی به اندازه 0.0001 درصد در فولاد می تواند باعث ایجاد ترک‌هایی شود که منجر به شکست در سطح تنش‌هایی کمتر از سطح استحکام تسلیم می شود.

قسمت‌هایی از سازه هواپیما که در آن از فولاد مقاومت بالا استفاده می‌شود شامل چرخ‌های هواپیما، اتصالات بال، شاه تیرهای موتور و اسلت یا پیش بالاهاست. در شکل شماره ۳ می‌توانید این قسمت ها ملاحظه کنید. بیشترین کاربرد فولاد نیز در ارابه های فرود (Landing Gear) است. استفاده از فولاد در این قسمت به دلیل نیاز به سختی بالا، استحکام و مقاومت به خستگی زیاد است. چرا که در زمان فرود و تیک‌آف هواپیما نیروی بسیار زیادی به این قسمت وارد می‌شود. به دلیل استحکام زیاد فولاد این قسمت از هواپیما می تواند نسبتا کوچک ساخته شود به گونه‌ای که به راحتی در قسمت زیر شکم هواپیما فضای بسیار کمی را اشغال کند. از فولاد همچنین در ریشه‌ی اتصال بال به بدنه و اسلت بال‌ها نیز استفاده می شود.

تصویر شماره ۳ - قسمت هایی از هواپیما که از فولاد ساخته می شود

گریدهای فولاد

آهن با کربن و سایر عناصر ترکیب شده و پس از عملیات فورجینگ و حرارتی فولاد مقاومت بالا را می‌سازد. آهن خالص فلزی نرم است که استحکام تسلیمی کمتر از 100 مگاپاسکال دارد اما به کمک ترکیب با فولاد و برخی عناصر آلیاژی و همچنین انجام عملیات های حرارتی استحکام آن افزایش داده می شود. به کمک ترکیب عناصر و همچنین فرایندهای ترمودینامیکی می توان فولادهایی ساخت که رنج استحکام تسلیم آن از 200 تا بالای 2000 مگاپاسکال متغیر است. برخی ویژگی‌های مهم دیگر فولاد از قبیل سختی، مقاومت به خستگی و مقاومت خزشی نیز به وسیله‌ی عملیات ترمودینامیکی و آلیاژی قابل کنترل است.

امروزه بیش از صدها گرید مختلف فولاد وجود دارد. اگرچه تنها تعداد بسیار کمی از آنها دارای مقاومت و سختی بالا در حدی‌ست که بتوان در صنعت هواپیما سازی از آن‌ها استفاده کرد. فولادها حاوی کمتر از 1.5 درصد کربن (همراه با سایر عناصر آلیاژی) هستند و اغلب بر اساس مقدار کربن و عناصر آلیاژی که در خود دارند دسته بندی می شوند. برخی از مهمترین گروه‌های فولاد عبارتند از:

فولاد معمولی یا فولاد نرم

فولادهای معمولی که به عنوان فولادهای کم کربن نیز شناخته می شوند کمتر از 2 درصد کربن در خود دارند و عموما به وسیله ی سردکاری سخت می شوند. فولاد معمولی استحکام تسلیم متوسط در حد 200 تا 300 مگاپاسکال دارد و به دلیل نرم بودن درصنایع هوایی کاربردی ندارد.

بیشتر مطالعه کنید: معرفی فولاد کربنی و کاربردهای آن

فولادهای کم آلیاژ مقاومت بالا

فولادهای کم آلیاژ مقاومت بالا (HSLA) فولادهایی هستند که مقدار کمی کربن (کمتر از 0.2 درصد) مانند فولاد معمولی دارند و مقدار کمی نیز عناصر آلیاژی مانند مس، نیکل، نیوبیوم، وانادیم، کروم، مولیبدینوم و زیرکونیم در آن ها استفاده می شود. فولادهای HSLA به عنوان فولادهی میکروآلیاژی شناخته می شوند چرا که در مقایسه با سایر انواع فولادها مقدار عناصر آلیاژی آن بسیار کمتر است. استحکام تسلیم فولادهای HSLA بین 250 تا 600 مگاپاسکال است و در اتومبیل سازی، ساخت کامیون و پل سازی کاربرد دارد. استفاده از HSLA در صنعت هواپیمایی نیز کم است چرا که استحکام و مقاومت کمی در برابر خوردگی دارد.

فولادهای کربن متوسط

فولادهای کربن متوسط بین 0.25 تا 0.5 درصد کربن دارند و به وسیله‌ی فرایندهای ترمومکانیکی به سختی بین 300 تا 1000 مگاپاسکال می رسند. این گروه از فولادها برای کاربردهای سازه ای بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند. در موتور اتومبیلها، سازه های ساختمان ها و پل ها، کشتی ها، واگن های قطار و سازه های دور از دریا استفاده می شود. فولادهای کم کربن در صنایع هوایی کاربرد کمی دارد.

فولادهای کم آلیاژ کربن متوسط

فولادهای کم آلیاژِ کم کربن بین 0.25 تا 0.5 درصد کربن دارند اما مقدار عناصر آلیاژی آن بیشتر است که موجب افزایش سختی و مقاومت آن در دمای بالاست. در ساختار این فولادها عناصری مانند نیکل، کروم، مولیبدنوم، وانادیوم و کبالت وجود دارد. نمونه های آلیاژ بالای این فولادها در ساخت فولاد ابزار استفاده می شود. ابزاری مانند مته، تیغه و قطعات ماشین ها که به سختی و مقاومت سایشی بالایی در دماهای بالا نیاز دارند. سطح استحکام این فولادها به 2000 مگاپاسکال نیز می رسد. از این فولادها در ساخت هواپیما و به طور عمده در قسمت های ارابه فرود (Undercarriage) استفاده می شود.

فولادهای پیرسازی مارتنزیتی

فولادهای پیرسازی مارتنزیتی (Maraging steels) حاوی مقدار بسیار بالایی عنصر آلیاژی و مقدار بسیار کمی (کمتر از 0.03 درصد) کربن هستند. درکنار عملیات حرارتی که شامل سخت پیرسازی ست این دسته از فولادهای ترکیبی از استحکام بسیار بالا، سختی شکست و چکش خواری را دارا هستند. استحکام فولادهای پیرسازی مارتنزیتی در رنج 1500 تا 2300 مگاپاسکال قرار دارد و آن ها را در زمره قوی ترین مواد فلزی قرار می دهد. از این گروه از فولاد به در اجزایی از هواپیما که بارگذاری سنگینی روی آن انجام می شود استفاده می شود.

تصویر شماره ۴ - کاربرد فولاد Maraging در ساخت چرخ هواپیما

فولادهای ضد زنگ

فولادهای ضد زنگ یا استنلس استیل ها موادی هستند که حاوی 0.08 تا 0.25 درصد کربن و مقدار بالایی کروم (12 تا 26 درصد) می باشند. برخی مواقع از نیکل (تا 22 درصد) نیز در ساخت استنلس استیل ها استفاده می شود. گریدهای مختلفی از استنلس استیل ها با مشخصات مکانیکی گوناگون وجود دارد که استحکام تسلیمی بین 200 تا 2000 مگاپاسکال را می توانند داشته باشند. استیل های PH یا سخت کاری رسوبی به کاربردهای مرتبط با هوافضا بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند به این دلیل این کلاس از استیل در کنار مقاومت به خوردگی استحکام بالایی را نیز دارا هستند.

از میان تمام فولادهایی که ساخته شده و موجود هستند، فولادهای کم آلیاژ با کربن متوسط، فولادهای پیرسازی مارتنزیتی و استیل های PH بیشترین کاربرد را در ساخت هواپیما دارند.

در جدول زیر می توانید مشخصات فولادهایی که به عمده در هواپیما سازی استفاده می شوند را مشاهده کنید.

جدول شماره ۱ - مشخصات برخی از بیشترین فولادهای استفاده شده در ساخت هواپیما

بیشتر مطالعه کنید: استنلس استیل چیست و کاربردهای آن کدام است؟