Table of Contents
The Impact of Alloying on the Eutectoid and Eutectic Points in the Iron-Carbon System
ويستخدم نظام الكربون الحديدي أساساً لفهم الفولاذ والكرميلات، الذي يظل أكثر المواد المعدنية استخداماً في الهندسة، وفي حين أن الرسم البياني الثنائي لمركبات الكربون يوفر بيانات أساسية للتحول التدريجي، فإن السبيكات الصناعية لا تحتوي أبداً على الحديد والكربون، كما أن عناصر المحار مثل المنغنيز والكروم والنيكل والسيليكون والزيتون والاختناق تُضاف عمداً إلى تعديل خصائصها الميكانيكية.
وتقدم هذه المادة استعراضا تقنيا شاملا لكيفية تغيير العناصر الرئيسية للرحلات الرطبة والدقيقة في نظام التغذية، وسندرس الآليات الدينامية الحرارية والسكنية الأساسية، ونقدم البيانات الكمية حيثما كانت متاحة، ونناقش الآثار العملية المترتبة على تصميم السكك الحديدية وعلاج الحرارة، والتركيز على فهم قراءتها للإنتاج الذي يدعم صنع القرار في صنع الفولاذ، وممارسة التعقيم، واختيار المواد.
أساسيات الـ دياغرام المرحلة الحديدية - الكربونية
ويرسم مخطط المرحلة الثنائية لفئة الخدمات العامة في جيم مراحل التوازن الموجودة في درجات حرارة مختلفة ومحتويات الكربون، وتهيمن ردود فعل غير مبدئية على الرسم البياني:
- Eutectoid reaction] at:727°C (1340°F) and 0.76 wt% C: غاما (austenite) ⁇ (ferrite) + Fe3C (cementite) This reaction produces pearlite, a lamellar composite of ferrite and cementite.
- Eutectic reaction] at:1147°C (2097°F) and 4.30 wt% C: Liquid ⁇ Gambia (austenite) + Fe3C (cementite) This reaction forms ledeburite, the characteristic structure of white cast iron.
وهذه النقاط غير ثابتة في المحاور التجارية، إذ يغير كل عنصر من عناصر السكك الحديدية معامل النشاط أو استقرار أو زعزعة الاستقرار، ويغير علاقات الطاقة الحرة التي تربط جيبز والتي تحدد حدود التوازن، ويكتسي فهم اتجاه وحجم هذه التحولات أهمية أساسية للتنبؤ بالهياكل الدقيقة في شكل مذاهب، وتصميم دورات العلاج الحراري، ومراقبة الممتلكات النهائية.
نقطة الحوت: آليات التأثيرات على السكك الحديدية
وتمثل نقطة الحكود توازناً ثلاثياً بين الأوستنيت والخصيص والإسمنتية، وتفرق عناصر الطيارة بين هذه المراحل بشكل مختلف، مما يؤثر على استقرارها النسبي، وتوجد فئتان عامتان:
- Austenite stabilizationrs (مثل، ني، Mn، Co، Cu): هذه العناصر توسع مجال المرحلة الأوستنيتية، وتخفض درجة الحرارة البكتيرية، وتحوّل محتوى الكربون البكتري إلى قيم أعلى.
- Ferrite stabilizationrs (مثل، سي، كرو، ف، مو، تي، تي، ووا): هذه العناصر تتعاقد مع الحقل الأوستنتي، وترفع درجة الحرارة الداكتوية، وتحوّل محتوى الكربون البدائي إلى قيم أدنى.
Manganese
ويقلل من درجة الحرارة الدكتاتورية حوالي 10-15 درجة مئوية من الوزن المضاف، وفي نفس الوقت، يزيد محتوى الكربون البكتري من 0.76 في المائة من ثاني أكسيد الكربون إلى 0.9 في المائة من وزنه 2 في المائة، ويُستغل هذا التحول في فولاذ ذي متين منخفض الطراز (HSLA) وفي درجة حرارة من الفولاذ الحبيبات الجامدة.
ولأن تقسيم المنغنيزات بشكل تفضيلي إلى الأسمنتية، فإنه يستقر أيضاً مرحلة الكربيدات، ويعزز تكوين اللؤلؤية الملطخة بدلاً من العابيد المكبوتة أثناء التبريد البطيء.
نيكل
ويتصرف النيكل بنفس الطريقة مع المنغنيز، ويخفض درجة الحرارة الداكنة ومحتويات الكربون في نقطة الحكود، غير أن النيكل هو أقل فعالية من قبل في الكاربيدات ويميل إلى حلها في الأسمدة، ويخفض درجة الحرارة الداكنة بنحو 5-10 درجة مئوية لكل 1 في المائة من النيك المضافة.
الكروميوم
والكروميوم هو مثبت خصبة وعامل كربيد قوي، ويرفع درجة الحرارة البكتيرية بدرجة كبيرة، حيث يتراوح ما بين 20 و30 درجة مئوية لكل 1 في المائة من الكروند، ويقلل من محتوى الكربون البكتري، وبالنسبة للفولاذ الذي يبلغ 2 في المائة من الكرد، يمكن أن تنتقل نقطة الحكود إلى نحو 770 درجة مئوية و5.5 في المائة من الرئة من الكروم، كما يعزز تكوين جميع السائل المتحركة.
ويعني اتجاه الكروم إلى تكوين الكروم أن رد الفعل البطيئي يصبح أقل تحديداً لأن مراحل الكاربيد المتعددة تترافق مع مرحلتي الكهروم في الحديد العالي (أكثر من 10 في المائة من الكرد).
Silicon
ويزيد هذا السيليكون من مثبتات الأسمدة القوية وعامل رسم الخرائط، ويرفع درجة الحرارة البكترية بدرجة حادة بحوالي 15 إلى 25 درجة مئوية لكل 1 في المائة من السي - ويقلل من محتوى الكربون البكتري، فمثلاً، يمكن أن يرفع مستوى السيليكون بنسبة 2 في المائة درجة الحرارة العالية للثدي إلى 830 درجة مئوية، ويقلل من نسبة الكربون المميت إلى 0.5 في المائة.
Molybdenum
إن موليبدينوم مثبت متوسط وعامل مركب قوي من نوع كاربيدات، وهو يرفع درجة الحرارة الداكنة نحو 10-15 درجة مئوية لكل 1 في المائة، ويخفض محتوى الكربون البكتري، ويؤثر موليبدينوم بشكل خاص في تعطيل التحولات في اللؤلؤ والمبيدات، مما يجعله عنصرا رئيسيا في تحسين القدرة على التفاعل في الفولاذ القابل للتأثر بالحرارة().
Vanadium
فانادام هو أحد أقوى الكاسب التي كانت سائدة في الكربيدات ومثبت للخصوبة، وهو يرفع درجة الحرارة البكتيرية بنسبة 15 إلى 25 درجة مئوية لكل 1 في المائة من العمر، ويقلل بدرجة كبيرة من محتوى الكربون البكتري، كما أن الرافدينات الفانيهيوم (VC, V4C3) مستقرة جداً وتقاوم التكرار في درجات الحرارة العالية، مما يجعل من الفاناديوم أمراً أساسياً بالنسبة للفول الصدري الذي يحقق القوة من خلال
آثار التفاعل
(أ) إن السبيكات الحقيقية تحتوي على عناصر متعددة في السبيكة، وتأثيرها المشترك على نقطة الحكود ليس مجرد إضافة، فعلى سبيل المثال، يقلّل المانغان والنيكل معاً درجة حرارة البكتين أكثر من أي عنصر بمفرده، في حين أن الكروم والسيلكون يرتفعان معاً، ويمكن تقدير الأثر المشترك باستخدام معادلة الانحدار التجريبي، ولكن يلزم تحديد درجة حرارة تجريبية للتنبؤ الدقيق.
Teutec] = 727 + 20 (%Si) + 15(%Cr) + 5(%V) — 12(%Mn) – 10(%Ni) – 5(%Cu)
وهذا النوع من المعادلة يعطي أول تقريب للكربون العادي والصلب المنخفض الطيوط، غير أنه عند التركيزات العالية، تصبح الآثار غير خطية، وقد تقسم ردود الفعل البكترية إلى تحولات متعددة إذا انفصلت عن بعضها البعض بقوة.
النقطة الحكيمة: آثار على التوطين الحديدي المصبوب
أما رد الفعل الحكيم في نظام خامات الكربون فهو بنفس القدر من الأهمية، حيث أنه يحكم ترسيخ الحديد الطبقي، أما العناصر الثابتة (الغرافيت + الاستيطالية) فتتمثل في 1153 درجة مئوية تبلغ 4.2 في المائة من الجيم، بينما يحدث النظام المستقر (المستقيم + الاستيعاب) عند 1147 درجة مئوية مع وجود عناصر مركبة تبلغ 4.3 في المائة من القاعد.
Silicon
ويحوّل السيليكون إلى التركيبة الرحمية إلى محتوى الكربون الأدنى ويرفع درجة الحرارة البدائية، كما أن الحديد الرمادي العادي الذي يبلغ 2.5 في المائة من السيكات له درجة حرارة ثابتة تبلغ 1155 إلى 1160 درجة مئوية، وتركيباً رحمياً يتراوح بين 3.8 و4.0 في المائة من وزنزانات السيليكون، ويوسع نطاق الترسيب، الذي يؤثر على السلوك الاصطناعي.
الكروميوم
ويعزز الكروم الرحم القابل للتأثر (هيكل الحديد الأبيض) ويقلل من اتجاه الترميز، ويرفع درجة الحرارة الداكنة إلى نحو 2-5 درجة مئوية لكل 1 في المائة من الكربون، ويحول محتوى الكربون الرطب إلى أعلى؟ وفي الواقع، يشجع الكروم على تكوين الكربيدات، بحيث يصبح الاحتواء القابل للذوبان مهيمناً بنسبة تتراوح بين 30 و5 درجات مئوية في المائة.
نيكل
ويقلل النيكل من درجة الحرارة الداكنية ويحول التركيبة البدائية إلى محتوى أعلى من الكربون، وفي الحديد المكلّف بالنيكل (النوع المقاومة) ينتج محتوى النيكل بنسبة 15 إلى 30 في المائة مصفوفة استنشاقية كاملة ويعزز التكوين المستقر للغرافيت.
Manganese
وتؤثر المنغنيز تأثيرا معقدا على الرحم، حيث أنه في مبالغ منخفضة (0.5 إلى 1.0%)، يشجع الرحم القابل للقابلية للذوبان عن طريق تشكيل نظام الرصد الوطني والحد من تأثير الإثبات الناجم عن الكبريت، غير أنه على مستويات أعلى (فوق 2 في المائة)، فإن المنغنيز يعمل كمثبت للبرد ويمكنه أن يعزز تكوين الجرافات إذا كان السيليكون موجودا أيضا.
Molybdenum and Vanadium
فكل من المولىبينوم والفاندويوم مثبتات قوية للكربونات، حيث يقلل محتوى الكربون في الرحم ويزيد درجة الحرارة البدائية، وتضاف هذه العناصر في الحديد الأبيض المحموم إلى مراحل مديدة للكاربيدات (M2C، M6C، MC) تعزز مقاومة الإبراق، ويمكن أن ترتفع درجة الحرارة الداكنة إلى 1200 درجة مئوية أو أعلى في الحديد الأعلى ارتفاعاً في الخطوط الحديدية العالية.
البيانات الكمية والنماذج الافتراضية
فهم حجم التحولات أمر أساسي لتصميم السبيكة، ويقدم الجدول التالي تغييرات تقريبية في الوزن في المئة من عنصر السبيكة بالنسبة للفولاذات ذات الطوابق المنخفضة (حتى 5 في المائة من المحتوى الكلي للسبائك):
| Element | ΔTeutec (°C per 1 wt%) | ΔCeutec (wt% C per 1 wt%) |
|---|---|---|
| Mn | -10 to -15 | +0.05 to +0.08 |
| Ni | -5 to -10 | 0 to -0.05 |
| Cr | +15 to +25 | -0.08 to -0.15 |
| Si | +15 to +25 | -0.10 to -0.15 |
| Mo | +10 to +15 | -0.05 to -0.10 |
| V | +15 to +25 | -0.10 to -0.15 |
| Cu | -5 to -10 | 0 to +0.03 |
وهذه القيم تقريبية وتعتمد على محتوى الكربون الأساسي والتفاعل مع العناصر الأخرى، ولحسابات أكثر دقة، أصبحت أدوات الديناميكا الحرارية الحاسوبية مثل مادة ثيرمو - كالك أو حقائق الواقع معيارية في الممارسة الصناعية، ويمكنها التنبؤ بالتوازن التدريجي للنظم المتعددة العناصر وتوليد فروع نسيجية تبين كيف تتحول النقطتان الحكيمة والحيوية مع جميع التكوينات.
الآثار العملية لعملية تجهيز الحديد والصلب
معالجة الدروع
ويؤثر التحول في درجة حرارة البكتيريا تأثيرا مباشرا على درجة الحرارة المخففة بالنسبة للعلاج الحر، وإذا كان الفولاذ يحتوي على 1.5 في المائة من البير (ترفع درجة الحرارة بمقدار 30 درجة مئوية)، فإن درجة الحرارة التقليدية البالغة 850 درجة مئوية قد تكون غير كافية لتحلل تماما من المبيدات، وقد يلزم زيادة إلى 880-900 درجة مئوية، وعلى العكس من ذلك، فإن الفولاذ المحتوي على المانغينات يقل بنسبة 0.5 في المائة.
كما أن التغييرات في محتوى الكربون البكتري تؤثر على اختيار مستويات الكربون بالنسبة لهيكل مصغر معين، ويجب أن يكون للفولاذ المحمّل المصمم لهيكل مارتينسي معتدل محتوى الكربون فوق البكتيرية المتحولة لتجنب كميات كبيرة من الأسمدة البروتكتويدية، وبالنسبة لـ 2 في المائة من الفولاذ الكركي تبلغ نسبة الكربون الداكتوئية 0.5 في المائة، وبالتالي فإن درجة حرارة تبلغ 0.4 في المائة قبل الرسول.
التوطيد الحديدي المصبوب
ففي المؤسسات، يتحكم التحول في التكوين البدائي في كمية الغرافيت المكوّنة، والنزعات الانكماشية، وخطر البرد (الكرين الأبيض)، فعلى سبيل المثال، فإن الحديد الرمادي الذي يبلغ 2.0 في المائة من السيكات الحرارية قد يبلغ حوالي 3.9 في المائة، وإذا كان المحتوى الكربوني الفعلي 3.5 في المائة، فإن الحديد هو اتجاه منخفض في الرحم، كما أن الشعير الأوقي في الأوعية قد يقلل من الخراف.
وتستخدم مصانع الحديد الدكتلي معالجة المغنزيوم لتنشيط الغرافيت، ولكن درجة الحرارة الداكنة لا تزال تتأثر بعناصر السكك الحديدية، وتحتاج إضافات النيكل لإنتاج الحديد النملي الني المقاومة للني - النيستي إلى تعديل في معادلة الكربون للحفاظ على السلامة، ويعني انخفاض درجة الحرارة الحرارية بمقدار 5-10oC لكل 1 في المائة من النينات أن ارتفاع درجة الحرارة يجب أن يكون أقل من حيث تجنب العيوب المتحلل.
المواضيع المتقدمة: نظام " Eutectoid " في النظم ذات المواقع العالية
وفي الفولاذ غير القابل للصدأ والصلب غير القابل للصدأ، يصبح رد الفعل البسيط البطي أكثر تعقيدا، ففي 18 في المائة من الفولاذ النيب (من النوع 304) يكاد يُقْفَعَل الفولاذ البكتيريا لأن الكروم يثبّت على نطاق واسع ويستقر النيكل في النكتين، ويظهر الرسم البياني للمرحلة حلا صلبا مستمرا بين الطقوس ودرجة العالية.
يحتوي الفولاذ ذو السرعة العالية (مثلاً، AISI M2) على كميات كبيرة من التنغستن، والموليبدينوم، والكروم، والفاناديوم، والكربون، ويستعاض عن رد الفعل البطي بـ " تفكك مركب " مركب مركب عالي الشك، و " مركب " ، و " مكافئ " ، و " مكافئ " 0.
الرحلة الجوية والسيدة تيمبراتي: الآثار الثانوية
ورغم أن عناصر السكك الحديدية لا تشكل جزءاً مباشراً من النقاط البكتريّة أو الحادة، فإنها تؤثر أيضاً على درجة حرارة البدايات (Ms) حيث أن المادة تتأثر بتكوين أوستنيت عند درجة حرارة التحول، فإن التحولات في محتوى الكربون البكتيرية تؤثر بصورة غير مباشرة على السيدة A أعلى من كربون الرحم (من الإضافة) تعني أن كمية الكربون المميتة عند درجة الحرارة الدهنية أعلى.
تحليل مسارات صناعية محددة
SAE 4140 (0.40C, 0.90Mn, 0.95Cr, 0.25Mo)
وفي هذا الفولاذ العادي للسنجاب، فإن التأثيرات المشتركة للسنتر المرن (+0.95% × 20 درجة مئوية = +19 درجة مئوية) والعامل (+0.25% × 12°س = +3 درجات مئوية) تزيد درجة حرارة الفرنك إلى نحو 749 درجة مئوية، بينما تبلغ درجة الحرارة القصوى 12oس = -10.8 درجة مئوية)
Ductile Iron Grade 60-40-18 (3.5C, 2.5Si, 0.4Mn, 0.05Mg)
ومع وجود 2.5 في المائة من السي، ترتفع درجة الحرارة الداكنة المستقرة إلى نحو 1160 درجة مئوية، والتركيب الرحمي يبلغ حوالي 3.8 في المائة من الكربون الفعلي بنسبة 3.5 في المائة (الطيور الحادة)، والأشكال الأوستنتية الأولية، التي تعمل في الحديد الصاعق على تعزيز عدد العقيدات الصالحة، كما أن السيليكون يوقف تكوين الأسمنتات، بما يكفل أن يكون الغرافيت الحكيماوي مشبع تماما.
Iron (15٪ Cr, 3%C, 2%Mo)
ويتحول التكوين الرحمي إلى درجة كبيرة، إذ يقلل الكروم بنسبة 15 في المائة من قدرة كربون السام في أوستنيت ويعزز العابيد M7C3 ويرتفع درجة الحرارة الداكنة إلى نحو 1200-1220 درجة مئوية. ويزيد الحد من السائل المتحرك من الصبغة المميتة إلى تثبيت حرائق الكربون، وتصبح المصفوفة مزيجا من السائل المغلق والمكثف.
التحديات في تحديد الآثار المشتركة
وفي حين أن التراجع الخطي مفيد في التوجيه، فإنها تفشل في محتويات السبيكة العالية أو عندما تتفاعل العناصر بشكل تآزري، فعلى سبيل المثال، شكل الكروم والموليبدينوم مبدئيا ويمكن أن يتنافس على الكربون، فإن كربيد فانادام مستقر للغاية ويمكن أن يغلق الكربون أساسا، ويخفض الكربون الفعال المتاح للرد الفعل الوفيئي.
إن الديناميات الحرارية الحاسوبية الحديثة توفر النهج الأكثر موثوقية، إذ يمكن للمرء، من خلال إدخال التكوين الكيميائي الكامل واستخدام قواعد بيانات مصدق عليها، أن يحسب الأيزوبلات التي تظهر تركيبات ودرجات حرارة دقيقة ودقيقة، وهذا هو الآن ممارسة معيارية في تصميم السبيكة من أجل استخدام الفضاء الجوي والسيارات وتطبيقات استخدام الأدوات.
خاتمة
وتُغيّر عناصر الطيّار بشكل أساسي نقاط الرطوبة والرطوبة في نظام الكربون الحديدي، وتحوّل درجات الحرارة والتكوينات التي تحدث فيها ردود الفعل غير المبدعة هذه، وتُعزز مثبتات الأوستنيت مثل المنغنيز والنيكل درجة الحرارة الدائبة وتزيد من محتوى الكربون، بينما تُرفع مثبتات الأسمدة والكربونات مثل الكروم ودرجة حرارة النسيب المودي
وهذه التحولات لها عواقب مباشرة على المعالجة الحرارية، ومراقبة الترسيب، والخصائص الميكانيكية النهائية، إذ إن الفهم الدقيق لآثار السكك الحديدية يتيح للمهندسين أن يرتقيوا بالهياكل الدقيقة لظروف خدمات محددة، سواء كان ذلك يعني إنتاج فولاذ كهربي كامل لذوي القدرة على المقاومة أو الحديدي ذي القدرة على تحقيق آلية ممتازة، ويمكن أن يصمم السكك الحديدية بدقة لتحقيق التوازن المنشود من القوة والقسوة والعملية.
For further reading, consult authoritative sources such as the ASM Handbook, Volume 3: Alloy Phase Diagrams and ]MatWeb Material Property Data]. ويمكن الاطلاع على الإرشاد العملي بشأن تصميم السبيكة في Steel University[FL: