لماذا يكون الفولاذ عالي الكربون عرضة للكسر؟

شهدت القضبان ذات المحتوى العالي من الكربون العديد من الكسور.

على سبيل المثال، قد ينكسر العمود المصنوع من الفولاذ 45# إذا تُرك دون استخدام لفترة طويلة.

غالبًا ما يفشل أخذ عينات من الأجزاء المكسورة وإجراء تحليل ميتالوغرافي في تحديد سبب الكسر.

حتى إذا تم تحديد السبب، فقد لا يكون السبب الحقيقي.

ولتعزيز قوة الفولاذ، يجب إضافة الكربون. وينتج عن ذلك ترسيب كربيدات الحديد. من من منظور كهروكيميائي، تعمل كربيدات الحديد ككاثودات، مما يسرّع تفاعل الذوبان الأنودي حول الركيزة. ويرتبط أيضًا الجزء المتزايد الحجم من كربيدات الحديد في البنية المجهرية بخصائص الجهد الزائد الهيدروجيني المنخفض للكربيدات.

يكون سطح الفولاذ عرضة لتوليد وامتصاص الهيدروجين. ومع تغلغل ذرات الهيدروجين في الفولاذ، قد يزداد الجزء الحجمي من الهيدروجين، مما يقلل من مقاومة المادة ل تقصف الهيدروجين. ويؤثر هذا الانخفاض في مقاومة التآكل ومقاومة التقصف الهيدروجيني بشكل كبير على خصائص الفولاذ ويحد من استخداماته.

على سبيل المثال، عندما يتعرض فولاذ السيارات لبيئات تآكل مثل الكلوريد، يمكن أن يحدث تكسير إجهادي تآكلي (SCC) تحت الضغط، مما يشكل تهديدًا لسلامة الهيكل.

كلما ارتفع محتوى الكربونكلما انخفض معامل انتشار الهيدروجين وزادت قابلية ذوبان الهيدروجين. وقد اقترح بعض الباحثين أن العيوب الشبكية المختلفة مثل الترسبات والإمكانات والمسامات تزداد بالتناسب مع محتوى الكربون. وكلما زاد محتوى الكربون، يتم تثبيط انتشار الهيدروجين، مما يؤدي إلى انخفاض معامل انتشار الهيدروجين.

يتناسب محتوى الكربون مع قابلية الذوبان في الهيدروجين، فكلما زاد حجم الكربيدات في الكربيدات، قلّ معامل انتشار الهيدروجين داخل الفولاذ. وينتج عن ذلك زيادة في قابلية الذوبان الهيدروجين والحساسية للتقصف الهيدروجيني.

وكلما زاد محتوى الكربون، ينخفض معامل انتشار الهيدروجين ويزداد تركيز الهيدروجين السطحي بسبب انخفاض الجهد الزائد للهيدروجين على سطح الفولاذ.

تُظهر نتائج اختبار استقطاب الجهد المدفوع أنه كلما زاد محتوى الكربون في العينة، كان من الأسهل حدوث تفاعل اختزال الكاثود (تفاعل توليد الهيدروجين) وتفاعل انحلال الأنود في بيئة حمضية.

تعمل الكربيدات ككاثودات ويزداد جزء حجمها بالمقارنة مع المصفوفة ذات الجهد الزائد الهيدروجيني المنخفض. تشير نتائج اختبار تغلغل الهيدروجين الكهروكيميائي إلى أنه كلما زاد محتوى الكربون والجزء الحجمي من الكربيدات في العينة، قل معامل انتشار ذرات الهيدروجين وزادت قابليتها للذوبان. كلما زاد محتوى الكربون، انخفضت مقاومة التقصف الهيدروجيني.

أكد اختبار الشد بمعدل الإجهاد البطيء أنه كلما زاد محتوى الكربون، انخفضت مقاومة التشقق الإجهادي للتآكل الإجهادي. ويتناسب ذلك مع الجزء الحجمي من الكربيدات.

مع زيادة تفاعل اختزال الهيدروجين وتغلغل الهيدروجين في العينة، يحدث تفاعل الذوبان الأنودي، مما يسرّع من تكوين مناطق الانزلاق. وكلما زاد محتوى الكربون، تترسب الكربيدات داخل الفولاذ، مما يزيد من إمكانية تقصف الهيدروجين تحت تأثير تفاعلات التآكل الكهروكيميائية.

ولضمان مقاومة ممتازة للتآكل ومقاومة التقصف الهيدروجيني للصلب، يعد التحكم في ترسيب الكربيدات والجزء الحجمي طريقة فعالة.

استخدام الفولاذ في قطع غيار السيارات ومكوناتها محدود بسبب انخفاض مقاومته للتقصف الهيدروجيني.

تحدث هذه الظاهرة نتيجة للتآكل الناتج عن التعرض للمحاليل المائية.

ترتبط حساسية التقصف الهيدروجيني مباشرةً بمحتوى الكربون في الفولاذ.

تتشكل كربيدات الحديد (Fe2.4C / Fe3C) في ظل ظروف الجهد الزائد الهيدروجيني المنخفض.

للتخفيف من التآكل السطحي الناجم عن التآكل الإجهادي أو التقصف الهيدروجيني، فإن الإجهاد المتبقي تتم إزالته عادةً من خلال المعالجة الحرارية، مما يعزز أيضًا من كفاءة حبس الهيدروجين.

قد يكون من الصعب تصنيع فولاذ السيارات فائق القوة الذي يوفر مقاومة استثنائية للتآكل ومقاومة للتقصف الهيدروجيني.

مع زيادة محتوى الكربون، يزداد معدل اختزال الهيدروجين أيضًا، بينما ينخفض معدل انتشار الهيدروجين بشكل كبير.

مفتاح الاستفادة من الكربون المتوسط أو فولاذ عالي الكربون لمكونات السيارات أو أعمدة الإدارة يكمن في التحكم الفعال في مكونات الكربيد داخل البنية المجهرية.