تحليل تطور الهياكل الأساسية للمناهج الحديدية الكربونية أثناء التباطؤ في التبريد

الدور الحاسم في التبريد البطيء في تشكيل الهياكل الدقيقة للصلب

إن مراقبة تطور البنية المصغرة للمناهج الكربونية أثناء التبريد البطيء هي ممارسة أساسية في الميولج، مما يؤثر تأثيرا مباشرا على الممتلكات الميكانيكية وأداء خدمات الفولاذ، وعندما تبرد هذه المحار ببطء من درجات الحرارة المرتفعة - بشكل ثابت - وهي تجتاز سلسلة من التحولات الهيكلية التي يمكن التنبؤ بها والتي تحدد حجمها.

ويشكل نظام الكربون الحديدي الأساس لجميع الفولاذ الكربوني والكرميلات، بل إن التباينات الصغيرة في محتوى الكربون ومعدل التبريد يمكن أن تنتج هياكل دقيقة مختلفة اختلافا كبيرا، ويتيح بطء التبريد، على وجه الخصوص، التحولات في اتجاه التوازن، ويمنح المراحل الكافية للتنظيف والنمو، ويؤدي إلى هياكل دقيقة ذات طابع كويزي، وأكثر اتساقا، وغالبا ما تكون أكثر قابلية للتنبؤ بها من تلك التي تنتج عن طرق التبريد السريع مثل التكسير.

أساسيات نظام الكربون الحديدي

رسم الخرائط والمؤسسات الرئيسية

ورسم مخطط مرحلة الكربون الحديدي هو خريطة الطريق لفهم التحولات في المرحلة، وتشمل المراحل الرئيسية ذات الصلة بتباطؤ التبريد ما يلي:

Austenite (غاما-Fe)]: A face-centered cubic (FCC) solid solution of carbon in iron, stable at high temperatures (above -727°C for eutectoid composition). Austenite can dissolve up to 2.11 wt% carbon at the eutectic temperature (~1148°C).
Ferrite (A-Fe)]: A body-centered cubic (BCC) solid solution with very low carbon solubility (max:0.022 wt% at 727°C).
Cementite (Fe3C)]: مجمع بين الفلزات يحتوي على كربون 6.67 رطل بنسبة 6 في المائة، والإسميتات صلبة ومرنة، وتوفر القوة وترتدي المقاومة عند توزيعها على النحو المناسب.
Pearlite]: بنية دقيقة تتألف من غسيل متغير من الأسمنت والإسمنتية.

أما نقطة الحكود عند 727 درجة مئوية و 0.77 درجة مئوية، فهي أهم إشارة إلى معالجة حرارة الفولاذ، فالسلايل التي تقل عن 0.77 درجة مئوية من النيتروز هي منافقة في الرحم؛ والأكثر من ذلك من الفستق، وأثناء التبريد البطيء، تُعد الفولاذ النافق البد أولاً قبل التحولات البدائية البدائية المتبقية.

التحولات التوازنية تحت التباطؤ

ويقل معدل التبريد البطيء إلى أقل من ٥ درجات مئوية/متر للقسم السميك إلى مستوى نظام المحافظة على ظروف شبه التوازن، وفي ظل هذه الظروف، تتبع التحولات التدريجية التنبؤات برسم تخطيط المرحلة الأولى من التصنيف، كما أن تآكل ذرات الكربون هو آلية التحكم بالمعدلات، ويتيح بطء التبريد وقتا كافيا للكربون إلى تقسيم بين المراحل، وينتج هياكل مجهرية محددة جيدا.

وتتعاقب عملية التحول بالنسبة إلى فولاذ مناوئ الرحم (مثل 0.4 في المائة من وزن الجسم جيم) أثناء التبريد البطيء من منطقة الأوستنيت:

والهدوء في المجال المتعارف عليه من مرحلة واحدة - لا يحدث أي تحول.
عند عبور خط الـ "أ 3" (بدأ حرارة لمحتوى كربوني معين)، نواة خصبة مُحتسبة عند حدود حبة أوستنيت.
وينمو الفرنت حيث يتم رفض الكربون إلى ما تبقى من المحوسنات، مما يثريه نحو التكوين الدقيق.
وفي 727 درجة مئوية، تحولت النسبة المتبقية من الأوستنيت (0.77 في المائة من الوزن الإجمالي) إلى اللؤلؤ عن طريق رد فعل بطي.

وبالنسبة للفولاذات ذات الرحم الفائق (مثل 1.2 درجة مئوية من الجيم)، فإن التسلسل متشابه ولكن مع التسلسل الأسمنتي البروتكتويدي الذي يهيأ على طول حدود الحبوب المميتة قبل تشكيل اللؤلؤ.

تطور البنية التحتية الدقيقة التفصيلية خلال فترة التبريد البطيئة

آليات التوليد والنمو

فالتحولات في المواد الصلبة تسير عبر التنظيف والنمو، وأثناء التبريد البطيء، تكون القوة المحركة للتحول صغيرة نسبيا لأن النقصان تحت درجة حرارة التوازن ضئيل، وهذا يساعد على التغاير في المواقع التي يمكن استخدامها بصورة فعالة مثل حدود الحبوب، والإدماجات، والوصلات البينية الحالية للمرحلة.

وبالنسبة للتحول من الأوستنيت إلى الأرليت، فإن نواة اللؤلؤ تتحول إلى حدود حبة أوستنيت كمستعمرة، وتتألف المستعمرة من تبدل الطلاء الأسمنتي والأسمنت الذي ينمو بصورة تعاونية في الحبوب الموستينية، ويعزز بطء التبريد عدد أقل من المستعمرات، وينمو كل منها إلى حجم أكبر قبل أن يشق على المستعمرات المتاخمة.

أما المسافات بين المحيطين - وهي المسافة بين لاميلا الأسمنتية المتاخمة - فهي تناسب بشكل عكسي إلى درجة العزل الناقص، وفي ظل التبريد البطيء، يحدث التحول عند درجات الحرارة القريبة جداً من درجة الحرارة البكترية (نحو 727 درجة مئوية)، مما يؤدي إلى حدوث تباعد بين القطبين (نحو 0.5 إلى 1.0 ميكروغرام).

تشكيل المراحل البروتكتويدية

في الفولاذ الناقص الرحم، تشكل الأسمدة البروتكتويد مرحلة أولية أثناء التبريد البطيء، وتنمو نواة الفيريس عند حدود الحبوب المحبوبة وتنمو في الحبوب، وتتوقف مورثات الأسمدة البلوتكتويد على معدل التبريد وتكوينه:

Grain boundary allotriomorphs: حبوب الأسمدة المكشوفة التي تشكل على طول حدود الحبوب المحبوبة، وهذا هو الإدمان الغالب تحت التبريد البطيء جدا.
Widmanstätten ferrite]: العبارة الشبيهة بالبطن التي تنمو في الحبوب المحبوبة على طول طائرات بلورية محددة، وهذا المورفولوجي يتطلب معدلات معتدلة للتبريد ويُقْفَع تحت التبريد البطيء جداً.
Idiomorphic ferrite]: حبوب الأسمدة المجهزة بالبعوض التي تشكل بشكل داخلي (في الحبوب)، عادة عند الإدراج، وهذا أقل شيوعاً في ظل التبريد البطيء.

وتحت ظروف التبريد البطيئة الحقيقية، يهيمن على الحدود الحضارية، وتسمك طبقة الأسمدة كعائدات التبريد، وتصبح طبقة الحوسبة المتبقية غنية تدريجيا بالكربون، ويزيد إثراء الكربون من صعوبة المحوسبة المتبقية، مما يجعله أكثر مقاومة للتحول إلى درجات حرارة أعلى.

وبالنسبة للفولاذ الطري الفوق الرحم، فإن أشكال الأسمنت البروتوكتينية على طول حدود الحبوب المخففة كشبكات مستمرة، ويمكن أن تكون هذه الشبكات الأسمنتية ضارة بالممتلكات الميكانيكية، وتشجع كسر الرشوة على طول حدود الحبوب، ويزيد بطء التبريد هذه المشكلة لأن لدى الأسمنت الوقت اللازم لتشكيل أفلام سميكة ومستمرة، وفي الممارسة العملية، كثيرا ما تُنفصل الصلبان المبردان معهما.

التحول عن طريق اللؤلؤ: رد الفعل الحسن

وعندما يصل الموقع المستخدم المتبقي إلى التركيبة البحتة (0.77 و8 في المائة جيم)، فإنه يتحول إلى اللؤلؤ عن طريق آلية نمو تعاونية، والرد على ذلك هو:

Gambia (austenite, ~0.77 wt% C) ⁇ ⁇ AA (ferrite, ~0.022 wt% C) + Fe3C (cementite, ~6.67 wt% C)]

ويتطلب هذا التحول نشر الكربون على مسافات تبلغ نحو نصف المباعدة بين القطبين، وفي ظل بطء التبريد، تؤدي القوة المحركة المنخفضة إلى تباطؤ في الفضاء على نطاق واسع، وتتقدم جبهة النمو في شكل انتشار للكربون من الحمى الحديدية (حيث تكون القدرة على التذوب منخفضة) إلى لاميغا الأسمنتية (حيثما تكون مرتفعة).

إن حجم مستعمرة اللؤلؤ والمباعدة بين القطبين هما البارامترات الرئيسية للهيكل الميكروبي - ينتج التبريد البطيء:

مستعمرات كبيرة للؤلؤ (كثيراً 50 ميكروغرام في قطر)
المباعدة بين القطبين )٠,٥-١,٠ ميكروغرام(
سمك الرملة الرملية (التناسب مع المباعدة بين الجنسين)
انخفاض مساحة الحدود بين المستعمرات لكل وحدة

وتؤثر هذه السمات تأثيرا مباشرا على الممتلكات الميكانيكية، إذ أن لؤلؤة السوار تقل قوة الغلة وقوى التوتر، ولكن ارتفاع مستوى الخصوبة وصعوبة التأثير مقارنة باللؤلؤة الجميلة، كما أن العلاقة بين المباعدة بين المباعدة بين القطبين والقوة موثقة توثيقا جيدا: فمعدلات التباعد بين الطيفات توفر قوة أكبر.

الكائنات الدقيقة وارتفاعها في الممتلكات الميكانيكية

Pearlite Colony Size and Interlamellar Spacing

إن حجم مستعمرة اللؤلؤ والمباعدة بين القطبين هما البارامترات الأساسية للهيكل الميكروبيولوجي التي تتحكم في قوة الفولاذ الرئوي، ويمكن تقدير العلاقة بين المباعدة بين القطبين وبين قوة الغلة (مما) بمعادلة من نوع القاعة - Petch:

′′ ′′ ′′ ′′ ′′ ′′ + ′′ / √S]

حيث يكون ضغط الخيوط من الخصبة والكعك ثابتاً، وبالنسبة لللؤلؤة المكوَّنة تحت التبريد البطيء، فإن س كبير (0.5 إلى 1.0 ميكروم)، مما يؤدي إلى انخفاض القوّة ولكن إلى ارتفاع الخصوبة، وينتج اللؤلؤ من القوس عادة قواناً في نطاق يتراوح بين 300 و450 ميغابايا، مع قيم الارتداد تتراوح بين 15 و25 في المائة.

وبالإضافة إلى القوة، يؤثر المورفولوجيا على مقاومة الارتداء والآلة، ويسهل عموماً على اللؤلؤة أن تُصنع لأن مصفوفة الأسمدة الناعمة تهيمن، ولكنها توفر مقاومة أقل بسبب اتساع المباعدة بين الحمى السمنتية الصلبة.

Cementite Morphology and Distribution

إن المورفولوجيا وتوزيع الأسمنتات أمران حاسمان في التحكم في سلوك الكسور، وفي الفولاذ الناقص الرحم، توجد الأسمنتات في المقام الأول في مستعمرات اللؤلؤ، وفي الفولاذ البكتيري، يبدو أيضاً أن الأسمنتيت هو شبكات بروتكتويد على طول حدود حبة حبيسية سابقة.

إن شبكات الأسمنتات المتطاولة على الحدود المتطايرة تضر بالقسوة لأنها توفر مساراً منخفضاً من الكسور، ويعزز بطء التبريد تشكيل شبكات سميكة ومستمرة، ويمكن أن تنخفض حدة التأثير بشكل كبير من 100 ياء إلى 10 ياء في درجة حرارة الغرفة، وذلك هو السبب في أن شبكات الأسمنت المستمرة كثيراً ما تتعرض للتفكك الفلزات الفموية إلى التر في الترّبّب.

والتنقيب هو عملية متحكمة بالتشعب تتسارع عند درجات الحرارة تحت درجة الحرارة البكتيرية، وخلال فترات طويلة عند درجة الحرارة حوالي 700 درجة مئوية، تفرق الحمى السمنتية وتتسخينها لتقليل الطاقة السطحية، ويعرض الهيكل التطريز الناتج عن ذلك تحسيناً في النثرية والقسوة على حساب بعض القوة.

طراز Ferrite Grain Size

وفي الفولاذ الناقص الرحم، يشكل حجم الحبوب الخصبية عاملا هاما آخر يؤثر على الممتلكات الميكانيكية، وتنمو نواة الخرسانة عند حدود حبة أوستنيت السابقة وتنمو أثناء التبريد البطيء، ويعتمد حجم الحبوب الأسمدة النهائي على ما يلي:

حجم الحبوب المستعملة (الحبوب المتوهجة من نوع (ألوغر أوستنيت)
معدل التبريد (تسمح التبريد الأقل نموا بزيادة النمو، وإنتاج الأسمدة الحديدية لشركات الفضاء)
محتوى الكربون (المحتوى العالي من الكربون يصقل الأسمدة لأن أشكال أقل خصبة)

ويؤثر حجم الحبوب في القوة عن طريق علاقة الهال - بيتش: توفر الحبوب الأسمدة الحسنة قوة أعلى من العائد، إذ أن حجم حبة الحديد التي تبرد ببطء بنسبة 0.2 في المائة من الفولاذ C، يتراوح بين 20 و50 ميكروم، هو أمر شائع، ويقابل توليد قوة تتراوح بين 200 و280 ميغاواط، ويمكن أن يؤدي تصفية حجم الحبوب الحديدية إلى 5-10 ميكروم من خلال التبريد المراقب أو زيادة الميكلور.

الآثار العملية والتطبيقات الصناعية

معالجة مياه الأمطار وتطبيعها

ويُستغل التبريد البطيء صناعيا في معالجة الحرارة وتطبيعها، ويشمل التسخين الكامل للصلب في مرحلة الأوستنيت، مع الاحتفاظ بالتجانس، ثم التبريد ببطء (في الفرن) لإنتاج بنية صغيرة لينة وناقلة مناسبة للتمثيل أو التكوين البارد، ويكفل معدل التبريد البطيء ضغوط البيرز والخصيتين.

فالتطبيع ينطوي على التبريد في الهواء الطلق، وهو أسرع من التبريد بالفرن ولكنه لا يزال بطيئا نسبيا بالنسبة للأقسام السميكة، وينتج التطبيع الدقيق أكثر من اللؤلؤ، مما يوفر توازنا في القوة والعقاقير، ويستخدم التباطؤ في التهدئة بعد التطبيع أحيانا لمنع التوترات الحرارية والتشقق.

Controlling Cementite Networks in Hyper-eutectoid Steels

ويحتاج الفولاذ الراقي الكربون (0.8-1.5 في المائة من وزن الكربون جيم) المستخدم في الأدوات والينابيع والعلامات إلى مراقبة دقيقة لتوزيع الأسمنتات، ويمكن أن يؤدي بطء التبريد من درجات الحرارة العالية في العمل إلى شبكات سمينة مستمرة غير مرغوب فيها، ولتجنب ذلك، يمكن للمصنعين أن يستخدموا:

Controlled cooling]: cooling at medium rates to refine cementite morphology
Spheroidization annealing: Extended holds at 650-700°C to break up networks
Normalizing]: Reheating and air cooling to homogenize and refine the structure

وبالنسبة لحمل الفولاذ (مثلاً، AISI 52100، -1 في المائة من وزن الجسم)، فإن الهياكل الدقيقة المكبوتة ضرورية للحياة البدينة الجيدة، فالسيارات السمنتية تعمل كجسيمات صلبة تُحسن المقاومة دون تشتت الشبكات المستمرة.

بطن محمولة بالمايكروول وبطء التبريد

ويتوقف الفولاذ المتناهي الصغر الذي يحتوي على إضافات صغيرة من النوبيوم أو الفاناديوم أو التيتانيوم على التبريد البطيء لتهيؤ كربونات دقيقة تعزز مصفوفة الأسمدة، وأثناء تباطؤ التبريد بعد التدحرج، تشكل هذه المهيأات في شكل متقلب، مما يوفر تعزيز التهطال، ويتيح بطء معدل التبريد الوقت الكافي للتنشيط والنمو، مما يؤدي إلى زيادة التأثير في التعزيز.

وتتراوح قوة الغلة النموذجية للفولاذ المتناهي الصغر المجهزة ببطء التبريد من 450 إلى 600 إم بي أي، مع حسن النية والصلعة، وتستخدم هذه الفولاذات على نطاق واسع في خطوط الأنابيب، والأقسام الهيكلية، والعناصر الآلية.

التقنيات التحليلية للهياكل الدقيقة

أجهزة تصوير وتصوير مصغرة

ويكشف الإعداد المميتالوغرافي الموحد الذي يليه التحلل (حمض النتري في الإيثانول) عن مكونات البنية التحتية الدقيقة، وفي ظروف التبريد البطيئة، يمكن للنسخ المصغر البصري من 100 إلى 500 × مكبر يمكن أن يحل:

الأسمدة البيروتكتويدية (الرطوبة البيضاء أو الخفيفة)
مستعمرات اللؤلؤ (دارك)، ذات هيكل بصهر مرئي عند ارتفاع درجة المضخمة)
شبكات الأسمنت (البيض، على طول حدود الحبوب في الصلبان البيرطية)

ويمكن أن تقيس الميكاليات الكمية، بما في ذلك طرق عد النقاط والاعتراض الخطي، أجزاء الحجم، أحجام الحبوب، والفصل بين المسافات بين الأقطاب.

Scanning Electron Microscopy (SEM)

وتوفر الإدارة العليا صوراً أعلى للبيرليت لاميلا، والمورفيا الأسمنتية، وأسطح الكسور، وبالنسبة لآلة البيرليت التي تشكلت تحت التبريد البطيء، فإن درجة الحرارة في مقياس يتراوح بين 000 5 و000 20000 × تُحل بوضوح على كل لاميلا من البشر، ويمكن استخدام المطياف الأشعة السينية المشوهة بالطاقة في تركيبة الكيميائية المحلية، رغم أن تحليل الكربون في ضوءه.

Electron Backscatter Diffraction (EBSD)

EBSD maps prolographic orientation, enabling analysis of ferrite grain orientation, pearlite colony relationships, and phase identification. For slow-cooled micro structures, EBSD can reveal the orientation relationship between ferrite and cementite in pearlite, which typically follows the Pitsch-Petch relationship.

دراسة حالة: بطء التبريد في صندل الهيبو - إيتوتكتويد

- النظر في 0.4 في المائة من الفولاذ C (AISI 1040) الذي يبرد ببطء من 900 درجة مئوية إلى درجة حرارة الغرفة بمعدل 1 درجة مئوية/متر، وسيتألف الهيكل الجزئي الناتج من حوالي 50 في المائة من الأسمدة البروتكتويد و50 في المائة من اللؤلؤ المحسوبة باستخدام قاعدة الإضاءة على مخطط المرحلة الأولى من الأشعة المميتة (F-C) وسيظهر هذا الخصم على أنه حبوب النجمي (Pquiaxed grainar)

وإذا تم تبريد نفس الفولاذ عند درجة حرارة 10 درجات مئوية/متر (في الهواء، أي التطبيع)، فإن حجم الحبوب الحديدية يصل إلى 10-15 ميكروغرام، يصبح اللؤلؤ أدق (الفصل بين النجوم 0.3 ميكروم)، وينتج زيادات في القوام إلى 400 مارك ألماني، وهذا يدل على حساسية الهياكل الدقيقة والممتلكات لمعدل التبريد.

خاتمة

وينظم التطور الهيكلي الميكروبي للخليات الحديدية الكربونية أثناء التبريد البطيء التحولات التدريجية التي تخضع للسيطرة على الانتشار والتي تقترب من ظروف التوازن، كما أن الهياكل الدقيقة الناتجة عن ذلك والتي تُصنع باللؤلؤ المكسور، وشبكات الأسمدة البكترية المتوازنة أو الإسمنتية، والحجم الكبير للمستعمرات - يحدد بصورة مباشرة الممتلكات الميكانيكية للفولاذ المناسب.

ويتيح فهم دقيق لآليات التحويل هذه للمهندسين تصميم طرق التجهيز الحرارية التي تحقق مزيجاً من الممتلكات المستهدفة، ومن خلال التحكم في معدلات التبريد والتكوينات وحجم الحبوب المسبق، يمكن تصميم هياكل صغيرة لتطبيقات محددة، من الصلبان البنيوي المنخفض الكربون إلى أداة عالية الكربون، والفولاذ المحتوي على الصلب، وتظل المبادئ التي نوقشت هنا أساسية في التجهيز الحديث للصلب، وتواصل توجيه تطوير تطبيقات الصلب العالية الطلب.

For further reading on phase transformations in steels, refer to the ASM International] Handbooks on heat treatment and metallography. Additional resources include the ] ScienceDirect topic articles on pearlite and ferrite formation, and the traditional text on steel micro structure by