كيف يؤثر معدل التبريد على البنية المجهرية للفولاذ؟ يكشف المنحنى C في المعالجة الحرارية عن التحول المذهل للبنية المجهرية للفولاذ الكربوني أثناء التبريد. تتعمق هذه المقالة في الاختلافات بين طرق التبريد المتساوي الحرارة والتبريد المستمر، وتوضح كيف يؤدي اختلاف معدلات التبريد إلى تكوين هياكل البرليت والباينيت والمارتينسيت. من خلال فهم المنحنى C، ستدرك كيفية التحكم في خصائص الفولاذ للحصول على الصلابة والقوة المطلوبة. تعمّق في العلم وراء تحوّل الفولاذ وتعلّم كيفية تحسين عمليات المعالجة الحرارية.
المعالجة الحرارية هي عملية حاسمة في تصنيع المعادن التي تغير الخصائص الفيزيائية وأحيانًا الكيميائية للمادة. يمكن لعملية التسخين والتبريد المضبوطة هذه أن تعزز بشكل كبير من قوة المعدن وصلابته وليونته وخصائصه الميكانيكية الأخرى دون تغيير شكله. ويكمن المبدأ وراء المعالجة الحرارية في التلاعب بالبنية المجهرية للمادة.
تتضمن العملية عادةً ثلاث مراحل رئيسية:
وتستخدم عمليات المعالجة الحرارية المختلفة، مثل التلدين والتطبيع والتبريد والتبريد والتبريد، تنويعات مختلفة من هذه المراحل لتحقيق نتائج محددة. على سبيل المثال، ينطوي التبريد على التبريد السريع لزيادة الصلابة، بينما يستخدم التلدين التبريد البطيء لتحسين الليونة وتقليل الضغوط الداخلية.
وتعتمد فعالية المعالجة الحرارية على عدة عوامل، بما في ذلك التركيب الكيميائي للمعدن والبنية المجهرية الأولية ودرجة حرارة التسخين ووقت الاحتفاظ ومعدل التبريد. وغالبًا ما تستخدم عمليات المعالجة الحرارية الحديثة التحكم الدقيق في درجة الحرارة، والأجواء الواقية، وأنظمة التبريد التي يتم التحكم فيها بالكمبيوتر لضمان الحصول على نتائج متسقة ومثالية.
عندما يتم تسخين الفولاذ، فإنه يخضع للعديد من التحولات الطورية الحرجة التي تغير بشكل كبير من بنيته المجهرية وخصائصه. هذه التحولات أساسية في عمليات المعالجة الحرارية وتؤثر بشكل كبير على الخصائص النهائية للصلب.
عند درجة حرارة الغرفة، يوجد الفولاذ الكربوني عادةً في هيكل من الفريت-البيرلايت. ومع ارتفاع درجة الحرارة، تحدث التحولات التالية:
إن فهم هذه التحولات أمر بالغ الأهمية لتحسين عمليات المعالجة الحرارية مثل التلدين والتطبيع والتبريد والتبريد والتلطيف. يلعب كل من معدل التسخين، ودرجة حرارة الذروة، ووقت التثبيت أدوارًا حيوية في التحكم في البنية المجهرية النهائية وخصائص الفولاذ.
وغالبًا ما تستخدم المعالجة الحرارية الحديثة تحكمًا دقيقًا في درجة الحرارة ومعدات متخصصة مثل السخانات الحثية أو أفران الغلاف الجوي الخاضعة للتحكم لتحقيق التحولات المرغوبة مع تقليل الآثار الضارة مثل إزالة الكربنة أو النمو المفرط للحبيبات.
يُعد المنحنى C، والمعروف أيضًا باسم مخطط التحول الزمني لدرجة الحرارة (TTT)، أداة مهمة في علم المعادن يستخدم لتحليل تحول البنية المجهرية للفولاذ الكربوني أثناء التبريد بعد عملية الأوستنيت. يوفر هذا المنحنى رؤى قيّمة حول حركية تحولات الطور ويساعد المهندسين على تحسين عمليات المعالجة الحرارية لتحقيق الخواص الميكانيكية المطلوبة.
هناك طريقتان أساسيتان لتبريد الفولاذ في عملية المعالجة الحرارية:
في الإنتاج الصناعي العملي، يعتبر التبريد المستمر هو الطريقة الأكثر استخدامًا نظرًا لبساطته وكفاءته. ومع ذلك، فإن فهم كلتا عمليتي التحويل أمر بالغ الأهمية لتصميم المعالجة الحرارية الشاملة للصلب وتحسينها.
يُستخدم المنحنى C كأداة أساسية للتنبؤ بتطور البنية المجهرية وتصميم دورات المعالجة الحرارية لتحقيق خواص ميكانيكية محددة في الفولاذ الكربوني والفولاذ منخفض السبائك. وهو يمكّن علماء المعادن والمهندسين من تكييف عملية التبريد للحصول على التوليفات المرغوبة من القوة والصلابة والليونة في مكونات الفولاذ.
منحنى التحويل الحراري المتساوي الحرارة للتبريد الناقص التبريد الأوستينيت في الفولاذ سهل الانصهار
إن الأوستينيت من الفولاذ الأوستنيتي يتم تبريده إلى درجة حرارة تتراوح بين A1 و550 درجة مئوية، مما يؤدي إلى تكوين هيكل من البرليت من خلال عملية التحول المتساوي الحرارة. وينتج هذا التحوّل من الأوستينيت إلى بيرلايت نتيجة التنوي المتناوب ونمو الفريت والأسمنت، كما هو موضح في الشكل 3-7.
أولاً، تتشكل نواة بلورات الأسمنتيت على حدود حبيبات الأوستينيت.
إن محتوى الكربون من الأسمنتيت أعلى من الأوستينيت، مما يؤدي إلى امتصاص ذرات الكربون من الأوستينيت المحيط.
ونتيجة لذلك، ينخفض محتوى الأوستينيت القريب من الكربون في الأوستينيت، مما يهيئ الظروف لتكوين الفريت وتحويل هذا الجزء من الأوستينيت إلى فريت.
إن انخفاض قابلية ذوبان الكربون في الفريت يعني أنه يجب نقل الكربون الزائد إلى الأوستينيت المجاور أثناء نموه، مما يؤدي إلى زيادة محتوى الكربون في منطقة الأوستينيت المجاورة وتهيئة الظروف لتكوين أسمنتيت جديد.
من خلال هذه العملية، يتحول الأوستينيت بالكامل في النهاية إلى بنية من البرليت مع طبقات متناوبة من الفريت والأسمنتيت.
يتطلب تكوين البرليت حركة ذرات الكربون، حيث تحدد مسافة الحركة عرض صفائح البرليت. وفي درجات الحرارة المرتفعة، تكون حركة ذرات الكربون أكثر اتساعًا، مما يؤدي إلى تكوين صفائح بيرلايت أعرض.
وعلى العكس من ذلك، في درجات الحرارة المنخفضة، تواجه ذرات الكربون صعوبة في الحركة وبالتالي تكون صفائح البرليت أكثر كثافة. البنية المجهرية التي تتحول من 727 درجة مئوية إلى 650 درجة مئوية هي البرليت.
تُعرف البنية التي يتم الحصول عليها من خلال التحول بين 650 درجة مئوية و600 درجة مئوية باسم السوربايت، والتي يشار إليها أيضًا باسم البرليت الناعم. ويؤدي التحوّل بين 600 درجة مئوية و550 درجة مئوية إلى تكوين التروستيت، والذي يُعرف أيضاً باسم البرليت الناعم جداً.
لا يتم التفريق بين هذه الأنواع الثلاثة من تراكيب البرليت إلا من خلال التباعد بين الصفائح ولا توجد أي اختلافات جوهرية.
تنتمي نواتج التحول المتساوي الحرارة للأوستينيت في الفولاذ المتساوي الأوستينيت، من التبريد المنخفض إلى نطاق درجة حرارة يتراوح بين 550 درجة مئوية و240 درجة مئوية، إلى بنية الباينيت. تتشكل الباينيت العلوي في الجزء العلوي من نطاق درجة الحرارة هذا، بينما يتم الحصول على الباينيت السفلي في الجزء السفلي. يتميز الباينيت السفلي بصلابة وقوة محسنة، بالإضافة إلى مرونة وصلابة أفضل. ومع ذلك، ليس للباينيت العلوي أي تطبيقات عملية.
من الصعب للغاية أن تتحول ذرات الكربون في الأوستينيت إلى أقل من 240 درجة مئوية.
يخضع الأوستينيت لتحوّل متماثل الشكل فقط، حيث يتحوّل من بنية مكعبة متمركزة الوجه (حديد ص) إلى بنية مكعبة متمركزة الجسم (حديد ألفا).
وتبقى جميع ذرات الكربون داخل الأوستينيت الأصلي في الشبكة المكعبة المتمركزة في الجسم، مما ينتج عنه حديد ألفا فائق التشبع.
يُشار إلى هذا المحلول الصلب فائق التشبع من الكربون في الحديد ألفا باسم المارتينسيت.
عندما يتم تبريد الأوستينيت في الفولاذ سهل الانصهار إلى 240 درجة مئوية (MS)، يبدأ في التحول إلى مارتنسيت.
ومع استمرار انخفاض درجة الحرارة، تزداد كمية المارتينسيت بينما تقل كمية الأوستينيت غير المبرد.
وبحلول الوقت الذي تصل فيه درجة الحرارة إلى -50 درجة مئوية (MF)، يكون الأوستينيت غير المبرد قد تحول بالكامل إلى مارتينسيت.
وبالتالي، فإن البنية بين MS و MF تتكون من المارتينسيت و الأوستينيت المحتفظ به.
نظرًا للاختلافات في محتوى الكربون، يكون للمارتنسيت شكلين.
يتخذ المارتينسيت الذي يحتوي على نسبة عالية من الكربون شكلاً يشبه الإبرة، ويُعرف باسم المارتينسيت الشبيه بالإبرة.
من ناحية أخرى، يكون المارتينسيت ذو المحتوى المنخفض من الكربون شبيهًا بالصفائح ويشار إليه بالمارتينسيت الشبيه بالصفائح.
| الأنسجة | محتوى الكربون (%) | الخواص الميكانيكية | |||
| لجنة حقوق الإنسان | （مبا) | آك ي/سم2 | （%P3T) | ||
| منخفضة الكربون | 0.2 | 40~45 | 1500 | 60 | 20~30 |
| الكربون العالي | 1.2 | 60~65 | 500 | 5 | 2~4 |
الجدول 4-5 مقارنة خواص الفولاذ المارتينسيت منخفض الكربون 15MnVB والصلب مروي ومخفف فولاذ 40Cr 40
| درجة الفولاذ | 15MnVB40Cr15MnVB40Cr |
| الولاية | حالة التبريد والتلطيف للمارتينسيت منخفض الكربون |
| لجنة حقوق الإنسان | 4338 |
| σo.2/MPa | 1133800 |
| σb/MPa | 13531000 |
| δ5（%sP3T) | 12.69 |
| φ(%) | 5145 |
| ak/JCM-2 | 9560 |
| ak（（50 ℃ - 50） / J.cm-2 | 70≤40 |
الشكل 3-9 منحنى التحول بالتبريد للصلب سهل الانصهار
a. التبريد بالفرن
عندما يتقاطع منحنى التبريد مع خط بداية تحول البرليت، يبدأ تحول الأوستينيت إلى البرليت.
بمجرد أن يتقاطع منحنى التبريد مع خط نهاية الانتقال، يكتمل التحويل.
ونتيجة للتحول الذي يحدث داخل منطقة البرليت، تتشكل بنية البرليت.
b. التبريد في الهواء
نتيجة لمعدل التبريد السريع، يحدث التحول في منطقة السوربايت، مما ينتج عنه الفريت كناتج التحول.
ج. تبريد الزيت
لا يتقاطع منحنى التبريد إلا مع خط البداية لتحويل البرليت (في منطقة تحول التروستيت)، ولكنه لا يتقاطع مع خط النهاية.
ونتيجة لذلك، لا يتحول سوى جزء من الأوستينيت، مما يؤدي إلى تكوين التروستيت كمنتج تحويلي. ويتحول الجزء المتبقي من الأوستينيت إلى مارتينسيت عند التبريد إلى خط MS.
وأخيراً، فإن بنية المارتينسيت ويتم الحصول على التروستيت.
يشير هذا إلى المنتج الذي تم تبريده في الزيت.
d. التبريد بالماء.
نظرًا لسرعة معدل التبريد، لا يتقاطع منحنى التبريد مع خط البداية لتحويل البرليت.
عند تبريده إلى ما دون خط البداية لتحويل المارتينسيت، يتحول الأوستينيت إلى مارتينسيت.
يقع منحنى التبريد المستمر إلى أسفل يمين منحنى C المتساوي الحرارة، مع انخفاض درجة حرارة التحول P ومدة أطول.
يحتوي الفولاذ سهل الانصهار وفائق الانصهار على خط إنهاء التحول من النوع P، ولكن لا يوجد تحول من النوع B أثناء التبريد المستمر.
بالنسبة إلى الفولاذ ناقص التكافؤ، قد يؤدي التبريد الفرعي في نطاق درجة حرارة محددة أثناء التبريد المستمر إلى تحول جزئي إلى B.
يعد تحديد منحنى التحويل بالتبريد المستمر أمرًا صعبًا، لذلك لا يزال العديد من الفولاذ يفتقر إلى هذه المعلومات.
في المعالجة الحرارية العملية، غالبًا ما يتم تقدير عملية التحويل بالتبريد المستمر بالرجوع إلى منحنى C.
مقارنة بين منحنى TTT ومنحنى CCT للفولاذ الكربوني سهل الانصهار
منحنى TT للفولاذ ناقص التكثيف وفائق التكثيف
(1) مفهوم الصلابة
تشير صلابة الفولاذ إلى العمق الذي يمكن أن يصل إليه الفولاذ أثناء التبريد، وهي خاصية مميزة للفولاذ.
أثناء التبريد، يختلف معدل التبريد في أقسام مختلفة من قطعة العمل.
يبرد السطح بأسرع معدّل، متجاوزاً بذلك معدل معدل التبريد الحرج لتكوين المارتينسيت. ونتيجة لذلك، فإن التركيب المارتنسيتي بعد التبريد.
مع انخفاض معدل التبريد نحو المركز، إذا انخفض معدل التبريد عند عمق معين من السطح عن معدل التبريد الحرج المطلوب لتكوين المارتنسيت في الفولاذ، فلن تتصلب قطعة العمل بالكامل حيث سيكون هناك بنية غير مارتنسيتية موجودة بعد التبريد.
(2) تأثير الصلابة على الخواص الميكانيكية
تكون الخواص الميكانيكية للفولاذ ذي الصلابة الجيدة موحدة في جميع أنحاء المقطع، في حين أن خواص الفولاذ ذي الصلابة الضعيفة تختلف على طول المقطع. تنخفض الخواص الميكانيكية، وخاصة الصلابة، كلما اقتربت من المركز.
الشكل 5-53 مقارنة الخواص الميكانيكية لأنواع الفولاذ ذات الصلابة المختلفة بعد معالجة التبريد والتلطيف
أ) العمود المقوى
ب) عمود غير مقوى
(3) تحديد مدى الصلابة والتعبير عنها
هناك عدة طرق لتحديد الصلابة. الطريقة الأكثر استخدامًا على نطاق واسع، كما هو محدد في GB225، هي اختبار التبريد النهائي للصلب الإنشائي. يقيس هذا الاختبار سُمك الطبقة القابلة للتصلب.
هناك مقياس آخر شائع الاستخدام لقابلية التصلب وهو القطر الحرج. تمثل هذه القيمة القطر الأقصى للهيكل شبه المارتنسيتي (50%) الذي يمكن تحقيقه في مركز الفولاذ بعد التبريد في وسط التبريد. ويُشار إليها بالرمز Do.
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
IT 
NL 
PT 
RU