فهم المنهج الدراسي للمرحلة الحديدية - الكربونية: دليل شامل لمهندسي المواد

The Iron-Carbon Phase Diagram: Its Role in Modern Materials Engineering

أما مخططات المرحلة التي يتكون منها الإيرون - كاربون (Fe-C) فلا تزال حجر الزاوية في الميتالورج الفيزيائي، التي يستخدمها مهندسو المواد يومياً للتنبؤ بتطور البنية الدقيقة أثناء الصبغ، والتكوين، والعلاج الحرفي، وهي خريطة للمراحل الميكانيكية الأساسية للمركبات الكربونية الموجودة في المحار الكربوني كوظيفة من درجات الحرارة (على أساس المحور الرأسي) ومحتويات الكربون (على مستوى الطول 6 - 27).

وتكمن قوة مخطط المرحلة في قدرتها على الإجابة على سؤالين حاسمين: أي مراحل توجد في تركيب معين ودرجة حرارة معينة، وكيف تتغير هذه المراحل عندما تنحرف درجات الحرارة، مثلاً، فإن الفولاذ الذي يزيد وزنه عن 800 درجة مئوية يصبح محفوراً من درجة واحدة، ويمكن عندئذ أن يُستدل من ذلك على شكل مرطوبة، كما أن الرسم البياني يوضح سبب اختيار المواد الكيميائية (الرسمية 2-11 في المائة).

قراءة الديغرام: أكسس، نقاط انفاريت، والمناطق الرئيسية

The Fe-C phase diagram is plotted with temperature (usually in °C or °F) on the y-axis and carbon concentration (in weight percent) on the x-axis. The diagram extends to approximately 6.67 wt% C (the composition of cementite, Fe₃)C. The leftmost boundary alter %

ردود الفعل الثلاثة

ثلاث نقاط تفاعلية حيث ثلاث مراحل تتعايش في درجة حرارة ثابتة وتتكون فيها - تحدد السمات الرئيسية للرسم البياني:

• Peritectic reaction (1495 °C, 0.16 wt% C): Liquid + dro-ferrite ⁇ austenite (غاما) This reaction is important in solidification of low-carbon steels, where ferrite forms first and then transforms to austenite upon further cooling.
• Eutectic reaction (1147 °C, 4.30 wt% C): Liquid ⁇ austenite + cementite (or austenite + graphite, depending on stability) This reaction governs the solidification of cast irons. The product is called ledeburite (austenite + cementite) in white cast irons.
• Eutectoid reaction (727 °C, 0.76 wt% C): Austenite ⁇ ferrite + cementite, this is by far the most technologically significant invariant point because it controls the transformation behavior of plain carbon steels. The lamellar mixture of ferrite and cementite produced is known as pearlite.

ويوجد بديل رابع عند 912 درجة مئوية من الحديد النقي (الألف [الألف و5:0]3[ درجة الحرارة)، ولكنه غير معتمد على التركيبة، وبالإضافة إلى ذلك، يوجد تحول مغناطيسي عند 770 درجة مئوية (درجة حرارة كوري) ولكنه تحول ثانٍ ولا يظهر دائماً على مخططات المرحلة التي يقصد بها تحليل المعالجة الحرارية.

مجالات المراحل الرئيسية

ومجال المرحلة هو منطقة على الشكل حيث تكون مرحلة واحدة أو خليط من مرحلتين مستقرة حرارياً، والميادين الرئيسية هي:

• Liquid (L): ] Above the liquidus line, the alloy is fully molten.
• L + ferrite:] A two-phase field for low-carbon steels at high temperatures.
• ferrite:] A narrow field just below the melting point, up to about 0.1 % C.
• L + غاما (austenite): ] Present for steels above the eutectic composition and for steels between about 0.16 % and 2.11 % C during solidification.
• Austenite (غاما): ] The single-phase FCC field, stable between:727 °C and 1495 °C (depending on carbon content). Carbon solubility in austenite reaches a maximum of 2.11 wt% at 1147 °C.
• L + Fe_]3C (cementite): For hypereutectic steels above the eutectic temperature.
• Ferrite (A):] The BCC phase, with very low carbon solubility (max 0.022 wt% at 727 °C).
• Ferrite + Fe_]3[C (cementite): ] The two-phase region below the eutectoid temperature for hypoeutectoid steels; the mixture is known as ferrite + pearlite upon slow cooling.
• Fe_3[C + Á + غام: ] A three-phase region, but strictly invariant lines represent fixed temperatures.

ومن المهم الاعتراف بأن الرسم البياني الوارد في معظم الكتب المدرسية هو في الواقع الميستابل في فو - فو (₃]C diagram، لأن الإسمنت هو مرحلة قابلة للتعديل تلغي التركيب الغرافيتي نظراً لوقت كاف (وبخاصة في وجود السيليكون) وقد ينطبق الشكل الثابت للرسم البياني - الإيرلندي - 4 في المائة على الحديد الرمادي

المراحل في التفاصيل: الهيكل والاختبارات والأوكرور

وتمتلك كل مرحلة من المراحل التي تصادف في نظام Fe-C خصائص بلورية وميكانيكية متميزة يستغلها المهندسون من خلال مراقبة الهياكل الأساسية الدقيقة.

فيريت (ألفا - ف)

وتعاني منطقة الخرطوش من بطانة مكعبة من الجسم وهي المرحلة المستقرة من الحديد النقي عند درجة حرارة الغرفة، وتصلبها من حيث الارتداد الكربوني إلى 0.008 درجة مئوية عند درجة حرارة الغرفة، وترتفع إلى 0.022 درجة مئوية عند 727 درجة مئوية، وهذا انخفاض مستوى السمعة المنخفض يعني أن أي كربون يتجاوز هذا الحد سيسبب تضخماً في درجة الحرارة المرتفعة من الإسمنت أو الغرافيت، حسب درجة الحرارة العالية(100).

أوستنيت (غاما - فاي)

With a face-centered cubic (FCC) structure, austenite is stable only at elevated temperatures in plain carbon steels. Its FCC lattice provides larger interstitial sites, allowing carbon solubility up to 2.11 wt%. Austenite is non-magnetic and generally ductile, with a high strain-hardening rate. In heat treatment practice, austenite is the parent phase from which all final microstructures are derived. Its grain size at the time of quenching or cooling strongly influences the resulting mechanical properties: finer austenite grains lead to finer martensite laths or finer pearlite interlamellar spacing, improving both strength and toughness. Austenite can be retained at room temperature in high-carbon steels or those with significant manganese or nickel content (the basis of austenitic stainless steels and Hadfield manganese steel).

Cementite (Fe₃]C)

إن الأسمنت هو مجمع بين الفلزات به هيكل بلورات من نوع التهاب الغدة الدهنية يحتوي على 6.6 في المائة من الكربون، وهو شديد الصعوبة (نحو 800 HV) والرشوة، ولا يوجد فيه أي خلية، وفي البنى الدقيقة الصلبة، يبدو أن النسيج لام في اللؤلؤ، كما أن الشبكات على طول حدود حبة حبة النيت (الركود المحرض)

اللؤلؤ

إن السائل ليس مرحلة واحدة، بل هو منتج للتشريد البكتيري، يتألف من تبدلات من الخصبة والسمنت، ويتكون من تركيبة سلكية مميتة، حيث يُمكن أن تبرد ببطء أشكال الترميز العالية، وتتوقف سرعة الترميز (البعد بين طبقات الدموية المتاخمة) على

غراميت

(ب) إن التلويث (الإنفلط) هو الشكل الثابت للكربون في نظام Fe-C، وله هيكل مهيمن وناعم جداً (الصلابة من 1 إلى 2) مع وجود مهيمن ممتاز في التلويث، ودرجة الحرارة من الصبغة في مختلف المورفات: الغرافيت المشتعلة (الكركاز) والتصوير المغناطيسي أو الصبغ المتحرك (كعب)

استخدام الديغرام في البنية الدقيقة المسبقة: التبريد والتكوين

ومن أقوى التطبيقات في مخطط المرحلة الأولى من برنامج العمل المتعلق بالفيروسات الفلورية التنبؤ بمكونات البنية التحتية الصغرى التي تشكل في ظل التبريد البطيء (أوضاع التوازن) وهذا هو الأساس لتصميم الفولاذ مع نسب محددة من الأسمدة/البيرليت أو الحديد الطبقي مع مورفولوجيا الرسوم البيانية المرغوبة.

شتلات البيوت الوبائية (0.02-0.76 ونسبة مئوية من الـ (جيم)

فعندما يكون الفولاذ الناقص (مثلاً، يبلغ 1020 مع 0.20 في المائة من النيتسي) مبرداً ببطء من منطقة الأوستنيت، فإن أول مادة صلبة في الشكل هي الأسمدة البيروتية، التي تُنقّل عند حدود حبة النيت، وتنمو عند هبوط درجة الحرارة من خلال منطقة (+) الألفا من درجة حرارة من حرارة الألف إلى صفر.

شتلات البيوت الوبائية (0.76-2.11 ورطوبة في المائة جيم)

1. In hypereutectoid steels, proeutectoid cement precipitates first at austenite grain boundaries as the alloy cools through the ( Gambia + Fe_{3[FLT:]C) region. At the eutectoid temperature, the remaining austenite (now at 0.76 % C) transforms to pearlite prior}

الحديدات المصبوبة (2.11-6.67 في المائة من الـ (جيم)

بالنسبة للمسافات التي تتجاوز 2.11 في المائة من السائل المائي، فإن رد الفعل البكتري يحكم الترسيب، وفي الحديد الأبيض، فإن المنتج البكتري هو الحرق (الطنيت + الأسمنت) الذي ينتج مادة صلبة ورشية مناسبة للتطبيقات ذات الترددات الاصطناعية (مثلاً، المطحنة، المذيبات المشتعلة)

ما بعد التوازن: ربط المقياس التدريجي بمقياس كلاريون - كليبرتون وتقني تير - تي

ويظهر الرسم البياني لمرحلة التكييف في نسق التوازن، أي المراحل التي يمكن أن تكون موجودة إذا كانت التبريد بطيئة إلى حد بعيد، وفي الممارسة الصناعية الفعلية، تكون معدلات التبريد محدودة، ومراحل غير التوازن مثل المرطوبة، والخليط، بل وحتى الظاهر المحتفظ به، والاستخدام العملي لرسم الخرائط، يُعد هندسة الأشعة المميتة باستمرار.

(أ) يبين الرسم البياني (يسمى أيضاً رسماً للتحول الحراري) حركياً ثابتاً، حيث إن درجة الحرارة البكتيرية (727 درجة مئوية) تشكل خطاً مرجعياً أفقياً لرسم الخرائط: فوق درجة الحرارة هذه، فإن الأوستنت ثابت؛ وأقل بقليل من ذلك، أشكال اللؤلؤ؛ وبدرجات حرارة أقل، وبأشكال الصبغة؛ وبأشكال التبريد السريع(22).

(أ) أن تكون رسومات [العاملة] أكثر قابلية للتطبيق على عمليات المعالجة الحرارية مثل التكديس والتطبيع والحام، وذلك بإخضاع منحنى التبريد (مثلاً، خط الأساس لمقياس التركيزات ([5]) عند حدوث تغيرات في الحرارة ([5])([الدرجة الأولى])

تطبيقات معالجة الحرارة العملية

ويصمم مهندسو المواد دورات لمعالجة الحرارة التي تحقق هياكل دقيقة محددة، فيما يلي ثلاثة أمثلة كلاسيكية.

اكتمال انيالنغ من الصلب الهيومكتويدي

ويُجرى التحلل الكامل من الفولاذ لتكوينه أو ذقنه لاحقاً، ويُسخن الفولاذ بنسبة تتراوح بين 30 و50 درجة مئوية فوق درجة حرارة " A₃ إلى أن يحدث التسخين الكامل، ثم يبرد ببطء في الفرن، ووفقاً للرسم البياني التدريجي، يبطئ الترسخين من خلال منطقة الحد الأدنى من اللؤلؤ (غافوري)

Spheroidize Annealing of High-Carbon Steel

(أ) بالنسبة للفولاذ الخافت (مثلاً، 1 في المائة من الفولاذ، وألف من الصلب، و2 في المائة من الفولاذ العالي الكربون، يستخدم التطريز في إنتاج الأسمنتات العالمية في مصفوفة، ويُسخن الفولاذ إلى درجة حرارة تقل قليلاً عن درجة حرارة الجسم (_1[FLT:])

من خلال الفرز والتمثيل

To maximize hardness, steels are austenitized, then quenched to form martensite. For a eutectoid steel (0.76 % C), the phase diagraming to cetener temperatures: austenite of that composition transformment to pearlite if cooled slow; but with rapid quenching, the transformation to pearlite or bainite forms suppressed

القيود والتصورات الخاطئة المشتركة

وفي حين أن مخطط المرحلة من برنامج العمل المتعلق بمكافحة فيروس نقص المناعة البشرية لا يقدر بثمن، فإن لديه قيوداً يجب أن يعترف بها الممارسون:

• Equilibrium conditions:] The diagram assumes infinitely slow cooling or heating. Real processes involve finite rates, so phases shown on the diagram may not appear, or metastable stages (martensite, bainite) may form instead.
• (أ) مكونات الطين ()
• Graphite vs. cementite:] The standard diagram shows Fe-Fe_]3C, not stable Fe-C. for ductile and gray irons, the graphite diagramite dialit positions strongly promote.
• No information on kinetics:] The diagram does not tell how fast transformations occur, that requires TTT or CCT data. Engineers often use the phase diagram to set process temperatures and then use kinetic models to design cooling rates.

ومن المفاهيم الخاطئة الشائعة أن تركيبة البكتويد تبلغ بالضبط 0.76 في المائة من وزن الجسم في 727 درجة مئوية. وفي الواقع، تختلف هذه القيم بمبالغ صغيرة من عناصر السكب، وبالنسبة للفولاذ السائل (مع 0.5 في المائة من وزنه)، فإن نسبة النيتوتكتويد تبلغ نحو 0.80 في المائة من الجيم و727 درجة مئوية من وزنه، حيث تبلغ نسبة ارتفاع الكربون الوليد 0.60 في المائة.

خاتمة

(د) إن مخطط مرحلة الحديد والكربون هو أكثر من موضوع الاختبار المطلوب - وهو أداة يومية عملية تدعم تصميم وتجهيز السبيكات الحديدية - يتيح تحديد المراحل الرئيسية (الكتاب المقدس، والاسمنت، والحرف، والرسم البياني) ونطاقات استقرارها، ويمكن لمهندسي المواد التنبؤ بالهيكل الجزئي حسب الطلب، ويختارون ما يلزم من آثار على المعالجة الحرارية.