وتُظهر هذه المحاور الهندسية الفولاذية التي تخضع لضوابط دقيقة، أساس هندسة المواد الحديثة، إذ أن القدرة على تصميم خصائص ميكانيكية مثل القوة، والصعوبة، والقوة، والقابلية للاختلال، تتوقف على فهم عميق لكيفية تحول الفولاذ خلال التبريد والعلاج الحراري، وفي قلب هذا المخطط يكمن في رسم بياني للكربون، وهو رسم تخطيطي لمراحل التطهير المتوازنية التي تُعرض في درجات الحرارية.

The Iron-Carbon Phase Diagram: A Foundational Tool

ويشكل رسم الخرائط في مرحلة الكربون الحديدي حجر الزاوية في الميولج الطبيعي، وهو يبين المراحل المستقرة التي تتعايش في سبائك الكربون في ظروف التوازن كوظيفة من وظائف الحرارة ومحتويات الكربون، وفي حين أن المعالجة في العالم الحقيقي كثيرا ما تنحرف عن التوازن، فإن الرسم البياني يوفر خط أساس لفهم التحولات في المرحلة ويوجه تصميم المعالجة الحرارية.

مراحل النظام

وتظهر أربع مراحل أولية في نظام الكربون الحديدي:

  • Ferrite (A-iron): ] A body-centered cubic (BCC) phase with very low carbon solubility (maximum:0.02 wt% at 727°C). Ferrite is soft and ductile, with moderate strength.
  • Austenite (غاما-iron): A face-centered cubic (FCC) phase that can dissolve up to 2.14 wt% carbon at 1147°C. Austenite is non-magnetic and hard, and it is the parent phase for most heat treatments.
  • Cementite (Fe3C): ] An inter metal compound with orthorhombic poly structure and exactly 6.67 wt% carbon. It is extremely hard and brittle, contributing strength and wear resistance when distributed as fine lamellae or particles.
  • ] مرحلة السائل: ] Molten iron-carbon alloy, existing above the liquidus temperature.

ويمكن أن تشكل الغرافيت أيضاً في الحديد الطلقي (الكربون 2 في المائة)، ولكن في الصلب، فإن الكاربايد الثابت هو الأسمنتيت؛ ويستخدم رسم الخرائط المميت في Fe3C لأغراض هندسية لأن الإسمنت يُشكل أسرع من الشكل البياني في التحولات في الدول الصلبة.

التكوينات الحرجة والتعيينات

وهناك عدة نقاط مشاورة على الرسم البياني ضرورية لفهم التحول في الصلب:

  • Eutectoid point:] At 0.76 wt% carbon and 727°C. Upon slow cooling, austenite of this composition decompose into a lamellar mixture of ferrite and cementite called pearlite. This is the most important reaction for heat treatment of steels.
  • Eutectic point:] At 4.3 wt% carbon and 1147°C. Liquid solidifies to a mixture of austenite and cementite (ledeburite). This point is relevant for cast irons, not typical steels.
  • Peritectic point:] At 0.16 wt% carbon and 1495°C. At this temperature, liquid and delta-ferrite react to form austenite. The peritectic influences solidification behavior and can cause cracking in cast steels.
  • Solvus lines:] The Á/(AA+غاما) and غاما/(غاما+) boundaries define the temperature- dependent solubility limit for carbon in ferrite and austenite.

فهم المناطق المرحلـة

ومن ثم فإن تقسيم الطراز إلى مناطق مستقرة فيها مرحلتين، وبالنسبة للفولاذات الناقصة (الكربونات - 0.76 في المائة)، فإن المنطقة التي تقل فيها درجة حرارة A1 (727 درجة مئوية) هي مزيج من الأسمنت والاسمنت (البيروت)، مع تركيب الأسمدة البروتكسيدية أولاً عند التباطؤ في التبريد.

تطور الهياكل الأساسية أثناء الترشيد

إن المسار الذي يُتخذ من خلاله مسار الفولاذ من المعالجة الساخنة بالعمل أو المعالجة الحرارية عن طريق التبريد يحدد هيكله الجزئي النهائي، وبتحكمه في معدل التبريد، يمكننا توجيه التحول بعيداً عن التوازن لإنتاج مراحل ومورفيولوجيات مختلفة، ويبين الرسم البياني للكربون المراحل الممكنة، ولكن أشكال التحول - التي تُجرى في الوقت المناسب - التحول - الشكل التشخيصي - المستمر (CT).

شتلات الصدر (الكتاب + اللؤلؤ)

أما الفول التي تقل نسبة الكربون فيها عن 0.76 في المائة، مثل 1018 (0.18 في المائة جيم) أو 1045 (0.4 في المائة جيم)، فهي نفاقية في الرحم، وأثناء تباطؤ التبريد من منطقة الأوستنيت، تُحدث نواة خصبة مُضللة عند حدود القمح المحبوبة، وتنمو إلى أن تصل درجة الحرارة إلى 727 درجة مئوية.

الصلب البطيئي (اللطيف)

ويتحول فولاذ الكربون بنسبة 0.76 في المائة، مثل 1080، إلى طري تماماً، وعندما يبرد ببطء من الأوستنيت، فإنه يتحول كلياً إلى اللؤلؤ عند 727 درجة مئوية. ويتكون اللؤلؤ من تبدل الخيوط من الأسمدة والاسمنتية؛ ويعتمد المباعدة بين القطبين على معدل التبريد الذي يعطي تهدئة دقيقة " مما يزيد من صعوبة وقوة التكتل " .

شتلات الهيبيروت (Pearlite + Cementite)

فالفولاذ الذي يزيد محتوى الكربون فيه عن 0.76 في المائة، مثل 1095 (0.95% جيم)، هو رطوبة عالية، وعند البطء في التبريد من الأسمنتات النباتية، يهيمن على حدود الحبوب كلوحات أو شبكات، وفي 727 درجة مئوية، تحولت المادة المتبقية إلى سائل، فإن الصندل الخفيف الضار بالزبدة هو شكل صعب جداً ولكن مستمر.

التبريد غير التوازن: مارتيني و بينيتي

وعندما يكون التبريد سريعاً جداً بالنسبة لذرات الكربون في الانتشار، فإن التحولات في الأوستنيت إلى رباعي المركب - وهو حل متين جداً للكربون في الحديد، حيث يُظهر هذا النوع من الرش غير المُشبَّع من نوع البعوض، وهو ما يحدث في Ms](البداية الرزينة)

أساسيات معالجة الحرارة

ومعالجة الحرارة هي التدفئة والتبريد المراقبين للصلب لتغيير هيكله وممتلكاته الصغرى، ويسترشد رسم بياني الكربون الحديدي باختيار درجات الحرارة لكل مرحلة، ويبدأ كل معالجة حرارية بـ - يسخن الفولاذ بالكامل في ميدان المرحلة الاستيعابية (يصل إلى 30 - 50 درجة مئوية فوق خط الكربون ألف 3 أو ألف).

التكوين وتشكيل الموقع

ويستلزم الفصل التبريد السريع من درجة الحرارة المخففة في وسط مثل الماء أو النفط أو الحل المتعدد الوسائط، والهدف هو تجاوز مناطق التحول اللؤلؤي والطيني والوصول إلى المارتيني، ويجب أن يتجاوز معدل التبريد الحرجة لهذا الفولاذ، ويؤثر محتوى الكربون في نطاق القدرة على تحمل الكربون - وهو ما يجعل محتوى الرخام أكثر صعوبة، بل أكثر عرضة أيضاً لتفكيك الكبريت.

التمهيد للعقل

والمطهر المزود بالأجهزة الحديثة هو منتشر جدا بالنسبة لمعظم التطبيقات، إذ يعيد التمرير الفولاذ إلى درجة حرارة تقل عن خط ألف 1 (نحو 150 إلى 650 درجة مئوية) ويحمله للسماح للكربون بالتنبؤ به على أنه ممرات جيدة ويخفف من حدة التوترات المتبقية، ويشير رسم بياني للكربون إلى حد الحرارة الأعلى (ألف-1) لتجنب الانتقاء المكثف للخصوبة إلى الحد الأقصى من التقلب.

آنالينغ وتطبيعها

وتشمل الأنالينة تسخين الفولاذ إلى منطقة الأوستنيت (أو فوق ألف 1 تماماً للتحلل الكامل) يليها بطء التبريد (مثل التبريد بالفرن)، مما ينتج هيكلاً للبيرليت من أجل أقصى قدر من اللينة والقابلية للتشبث، وتطبيع حرارة الفولاذ إلى ما يقرب من 50 درجة مئوية فوق درجة حرارة ال3 (أو أكوم) ثم ارتفاع حروف الهواء عن سرعة الأشعة.

Austempering and Martempering

(ب) إن التمدد هو معالجة حرارة طبيعية حيث يُستَنَقَف الفولاذ إلى درجة حرارة بين السيدة والخليطين (Bs) التي تُحتَجز حتى يكتمل التحول إلى الطعم ثم يُعمَّل الهواء، وتُقدِّم البنية الدقيقة الناشئة عن ذلك قدرة عالية على التحلي بالتشويش أقل من التقليدي.

تصميم هياكل صغيرة للخطوط المائية لتطبيقات محددة

وبجمع المعرفة برسم الخرائط الكربونية مع المعالجة الحرارية الخاضعة للرقابة، يمكن للمهندسين تصميم الصلب مع الهياكل الدقيقة التي تُستفد إلى أقصى حد من متطلبات الأداء المحددة، ويُذكر أدناه أمثلة مشتركة.

الصلبان العالية الغضب

أما بالنسبة للعناصر الهيكلية التي تتطلب نسبة عالية من القوة إلى الوزن، فإن الفولاذات التي تحتوي على الكربون والتي تبلغ حوالي 0.3 إلى 0.5 في المائة تُحذَّر وتُعدَّل بشكل متقلب لإنتاج الطيف المُمَرَّق، وتُحدِّد معدلات الارتطام الحاد في المصفوفة الحديدية، وتُحدِّد عناصر التموين من حرارة النيكل، وتزيد من درجة الحرارة القصوى وتسمح بالتباطؤ.

البقايا المقاومه للملابس

وكثيراً ما تحتوي فولاذية من طراز Tool ولوحات الارتداء على محتويات من الكربون تتراوح بين 0.8 في المائة و1.2 في المائة (الطيور الوبائية أو شبه الرحمية) وتشمل معالجة السمعة الرطبة إلى موقع الرطب الكامل، يليها إغراء منخفض الحرارة للاحتفاظ بصعوبة عالية، ووجود موانع للرموز في تركيبات السائلة المضغوطة التي تضيف مقاومة للزراعة القصوى(2).

عجلات دوكتيل للتشكيل

وتحتاج المكونات العميقة السحب أو المختومة إلى فولاذ منخفض الكربون (0.15%) ذي قدرة عالية على التخدير، وتنتج الأنالينغر أحبوباً من الأسمنتية ذات بعض الجسيمات الأسمنتية المكبوتة (التصفيد) التي تقلل من العمل الذي يشقق أثناء التكوين، وتساعد رسم خرائط الكربون في اختيار درجة الحرارة المتدنية (التي تتجاوز الحد الأقصى للهيدرويد) المستخدمة في التكوين.

حدود ومدة الديغرام الحديدي - الكربوني

وفي حين أن رسم الخرائط الكربونية هو أداة أساسية للتدريس والإشارة، فإنه يفترض أن تبطئ ظروف التوازن، مما يسمح بالنشر الكامل، وفي الممارسة العملية، تحدث معظم المعالجة الحرارية الصناعية في ظروف غير توازنية، مما يؤدي إلى مراحل وهياكل دقيقة لا تظهر على الرسم البياني الأساسي، وبالإضافة إلى ذلك، فإن معظم الفولاذ الهندسي يحتوي على عناصر تسويقية تغير الحدود القصوى وتفاعلات القرابة.

آثار العناصر الإضافية للرحلات

وتنتقل عناصر مثل المنغنيز والسيلكون والكروم والنيكل والموليبدينوم والفانياديوم إلى درجة الحرارة والتكوين البكتينية، مثلاً، تزيد درجة حرارة الألف-1 وتنتقل تركيبة البكتيرية إلى محتوى كربوني أقل صرامة، وتخفض من درجة حرارة الفولاذ ألف إلى درجة حرارة واحدة، وتُستولى على هذه الآثار في مخططات غير مكتملة أو في مرحلة محددة.

مقاييس المرحلة غير المتوازنة

ولتصميم هياكل دقيقة خاضعة للرقابة في ظروف التبريد الحقيقية، يعتمد الميتالورجيون على رسم بياني زمني - انتقالي، وعلى التحول المستمر في رسم الخرائط، حيث يؤدي هذا إلى تجاوز الحدود التدريجية لرسم خرائط الكربون مع منحنىات تحويلية للبيرليت والبينيت والمرطوبة.

خاتمة

إن رسم الخرائط في مرحلة الكربون هو مرجع لا غنى عنه لأي مرجّح أو مهندس مواد يشارك في تصميم السبيكات الصلبة ذات الهياكل الدقيقة الخاضعة للرقابة، وهو يوفر خارطة طريق موازنة لمراحل يمكن أن تشكل في محتوى ودرجات حرارة معينة، وتشكل الأساس لاختيار عملية المعالجة الحرارية، ويجمع هذه المعارف مع فهم للتحولات الحركية، وتأثير عناصر الطمع، يمكن للمهندسين أن يصمموا بدقة على أساس متغيرات.

For further reading on the iron-carbon diagram and its application in heat treatment, consult resources such as the ]ASM Heat Treating Society], the ]