كيفية تحديد درجات الحرارة الحرجة في المقياس الأولي لطور الكربون الحديدي لتخطيط معالجة الحرارة

مقدمة: مقياس المرحلة الحديدية - الكربونية في معالجة Heat

وبالنسبة لأي شخص يعمل مع الفولاذ، فإن رسم تخطيط مرحلة الكربون الحديدي أداة لا غنى عنها، وهو يرسم خريطة للعلاقة بين درجة الحرارة ومحتوى الكربون والمراحل الموجودة في السبيكة الحديدية، كما أن عمليات معالجة الحرارة مثل التطبيع والتصفح والتسخين والإغراء تعتمد على مراقبة دقيقة لدرجة الحرارة، ويفسر في كثير من الأحيان نقاط التحول الحرجة هذه العوامل المهندسة التي تولد خصائص ميكانيكية معينة مثل المنتجات الصلبة.

ويظهر الرسم البياني نفسه في عمر أكثر من قرن، ولكنه يظل أساساً في الميكاليغ، ويظهر المراحل المستقرة عند التوازن: السائل، واسم الدلتا، والأوستنيت، والأسمدة، والسمنت (Fe3C)، ويكمن مفتاح استخدام الرسم البياني في الاعتراف بفعالية بالردود المتحللة - نقطة البيرتيك في 1495 درجة مئوية (بالنسبة لمحتوى الكربون عند 0.09 في المائة)

ما هي درجات الحرارة الحرجة؟

ودرجات الحرارة الحرجة هي قيم محددة على طول محور درجة الحرارة حيث تبدأ أو تنتهي التغيرات في المرحلة، وفي سياق المعالجة الحرارية الفولاذية، تكون هذه هي درجات الحرارة التي تحدث فيها التحولات التي يمكن التحكم فيها لتغيير الهيكل الجزئي، وليست أرقاما ثابتة واحدة لجميع الفولاذات - وهي تحوّل بمحتوى الكربون وعناصر السكك الحديدية، أما درجات الحرارة البالغة الأهمية الأكثر شيوعا فهي:

Ac1 - درجة الحرارة التي يبدأ فيها أوستنيت في الاستمارة من الأسمدة أثناء التدفئة (يسمى أيضا درجة حرارة حرجة أدنى للصلب).
Ac3] - درجة الحرارة التي يكتمل فيها تحويل الأسمدة إلى أوستنيت أثناء التدفئة، وبالنسبة للفولاذات الفوقية الصدر، كثيرا ما يشار إليها بخط الأكوم، حيث يذوب الأسمنت إلى أوستنيت.
A1] - درجة حرارة الطريك المعادلة (727 درجة مئوية من الفولاذ الخفيف الكربوني)، حيث تشكل اللؤلؤ أثناء التبريد البطيء.
A3] - خط التوازن الذي يفصل منطقة (الطنيت + الأسمدة) عن منطقة المحوسبة الوحيدة المراحل بالنسبة للصلب المنهك.

وهذه درجات الحرارة تحمل علامة على مدون تحتية " ج " )التدفئة( أو " ر " )التسخين( للإشارة إلى ما إذا كانت تقاس أثناء التدفئة أو التبريد، لأن الهيستيريس يحدث، وفي تخطيط المعالجة الحرارية، تعمل عادة مع شركة Ac1 وAc3 للتدفئة، وتستخدم التحول الحراري الإيسوائي أو مخططات التبريد المستمر.

قراءة المواقف الحرجة الرئيسية من الديغرام

درجة الحرارة الدهنية (ألف-1)

إن درجة الحرارة البالغة الأهمية هي درجة الحرارة البالغة 727 درجة مئوية، وهذا هو الخط الأفقي على الرسم البياني الذي تتجمع به جميع خطوط محتوى الكربون، وفي هذه الدرجة، وفي محتوى الكربون البالغ 0.76 في المائة، تحولت الأوزن إلى اللؤلؤ (المزيج المائي من الأسمدة والسمنت) وفي أي حد من الفولاذ، تمثل المادة 1 درجة الحرارة التي توجد تحتها مرحلتان الأسمدة والنسيت فوق الكبريت.

درجة حرجية أدنى (Ac1) ودرجة حرجية قصوى (Ac3)

وبالنسبة للفولاذ الناقص (الكربونات [(FLT:0] 0.76 في المائة)، فإن الحد المكافئ هو خط الأكتوم، حيث يذوب الأسمنت في أوستنيت، وفي هذه الفولاذ، يحدث الاستيعاب الكامل فوق أكم، الذي يمكن أن يكون على مقربة من 100 درجة مئوية لمقاومة من الفولاذ الكربون بنسبة 1.2 في المائة، ولكن العديد من العلاجات الحرارية تحافظ عمدا على بعض الإسمنت غير المستقر.

مواقع الحدود

ولقراءة هذه من الرسم البياني، اتبع هذه الخطوات:

حدد محتوى الكربون من سبيك على المحور الأفقي
رسم خط عمودي أعلى من محتوى الكربون
ويعطي التقاطع مع الحدود A3 درجة حرارة Ac3 أو Ae3 درجة حرارة Ac3 أو Ae3، ويعطي التقاطع مع خط ألف 1 الأفقي درجة حرارة Ac1.
وبالنسبة للفولاذ الطري الفوق الرحمي، فإن التقاطع مع خط الكيم (المتبقي من التركيبة البدائية) يعطي درجة الحرارة التي يذوب فيها الأسمنتيت حلاً كاملاً، أما الألف 1 فلا يزال كما هو.

وهذه القراءات تفترض ظروفاً توازنية لا يمكن تحقيقها إلا بتدفئة أو تبريد بطيئة جداً، وفي الممارسة العملية، ستعدل هذه القيم استناداً إلى معدلات التدفئة وتكوين السبيكة.

كيف يُحبّون "الخطّاء" المُتَعَدّة الحرجة

ويتبع الفولاذ الكربوني البسيط الرسم البياني، ولكن معظم الصلب الهندسي يحتوي على المنغنيز والكروم والنيكل والموليبدينوم والعناصر الأخرى، وهذه العناصر التي تزيل درجات الحرارة الحرجة إلى حد كبير، مثلاً، يرتفع الكروم إلى النقاط ألف وألف-3 مع استقرار المبيدات؛ ويخفض النيكل أيضاً درجة الحرارة التي تصيب النيجين عند النيتروجين.

(أ) قاعدة بسيطة من الإبهام: بالنسبة لكل 1 في المائة من الكروم، فإن درجة حرارة الألف 1 ترتفع بنحو 15-20 درجة مئوية.

أساليب تجريبية للتحقق من التدرجات الحرجة

وفي حين أن الرسم البياني يوفر نقطة انطلاق، فإن المعالجة الحرارية في العالم الحقيقي تتطلب التحقق، وتستخدم خمسة أساليب مشتركة:

Dilatometry:] A sample is heated while measuring dimensional changes. Phase transformations cause volume changes (e.g., ferrite-to-austenite is a contraction). The inflection point on the length-versus-temperature curve corresponds to Ac1 and Ac3.
Differential Scanning Calorimetry (DSC) or Differential Thermal Analysis (DTA): ] These measure the heat absorbed or released during phase changes. Peaks indicate transformation start and end.
Hardness testing after partial quenching:] By heating samples to various temperatures just above Ac1 and above Ac3, then quenching, you can detect the change in hardness as martensite forms from austenite.
Metallography:] Heating samples to different temperatures, quenching, and examining the micro structure under a microscope. The presence of untransformed ferrite or cementite indicates you are below Ac3 or Acm.
] مقياس مقاومة كهربائي: ] The resistanceivity of steel changes with phase. A sudden change in resistivity during heating marks the transformation.

وبالنسبة لبيئات الإنتاج، فإن القياس هو الأكثر شيوعاً، وهو ما كثيراً ما يحدد في معايير مثل نظام ASTM A1033، وهو يوفر قيماً دقيقة للتحكم في كميات كبيرة من المواد Ac1 وAc3.

تطبيق المواقف الحرجة في معالجة الحرارة

آنالينغ

ويهدف الأنالينغ إلى تخفيف الفولاذ من أجل الرش أو التكوين، أما بالنسبة للفولاذ الناقص الرحم، فإن عملية التحلل تتم على نحو 20-30 درجة مئوية دون أك1، مما يسمح باستصلاح الأراضي دون تكوين أوستنيت، ويتطلب التحلل الكامل التدفئة فوق أك 3 (تزيد على 30 درجة مئوية) وتباطؤ التبريد لإنتاج اللؤلؤ المكبوتي.

معرفة درجات الحرارة الحرجة تضمن عدم إفراطك في الحرارة مما يؤدي إلى نمو الحبوب أو إلى نقص الحرارة مما يترك لؤلؤة صلبة في الهيكل

التطبيع

فالتطبيع يتضمن التدفئة إلى درجة حرارة تبلغ نحو 50-80 درجة مئوية فوق درجة حرارة أك3 (للنفاق) أو أعلى من درجة الحرارة (للطيف) ثم التبريد الجوي، والهدف هو صقل حجم الحبوب وإنتاج هيكل موحد للبيرليت الغرامي، وإذا كانت درجة الحرارة المتسخة منخفضة جداً، فإن بعض الأسمدة لا تزال غير معزولة، والهيكل الجزئي النهائي متصلب.

الفصل (الفرز)

ولتصليح الفولاذ عن طريق تكوين طفيليات، يجب أن تسخنها أولاً في منطقة الأوستنيت - فوق أكغ 3 بالنسبة لدرجات الناقصات، وتتمثل الممارسة المعتادة في الحرارة التي تزيد على 30 إلى 60 درجة مئوية فوق أك3 لضمان حل كامل للأسمدة والزباد، أما بالنسبة للفولاذات التي تُعدّل من منطقة (الذرة + الإسمنت) فهي غير واضحة.

بعد التصفيق، فإن درجة حرارة المارتينيين حرجة، ولكنها لا تظهر على مخطط التوازن، وتعتمد السيدة على محتوى الكربون والسبائك، وتخفض الكربون وأغلب عناصر السكك الحديدية (باستثناء الكوبالت) إلى السيدة الأقل، ويجب أن تتشاور مع مخطط لسجلات نقل التكنولوجيا أو لجنة حفظ البيئة البحرية من أجل الحصول على معلومات عن معدل التبريد، ولكن درجة الحرارة المخففة نفسها تحدد بقراءة مرحلة الكربون.

المعبد

ويُجرى التمجيد بعد التصفيق، ويُستتبع التدفئة إلى درجة حرارة أقل من درجة حرارة الجسم 1 - عادة بين 150 درجة مئوية و650 درجة مئوية حسب ما هو مطلوب من الصلابة والقسوة، ويضع درجة الحرارة الأقل حرجاً الحد الأعلى: لا تميل أبداً إلى أعلى من درجة حرارة الجسم، أو تخاطر بتشكيل أعواد جديدة عند التدفئة، مما سيخلق طوابعابير غير متحركة عند التب.

الخطوات العملية للتخطيط لمعالجة حالات الكوارث

واستناداً إلى كل ما نوقش، هنا إجراء لتخطيط معالجة حرارية باستخدام مخطط المرحلة من الكربون الحديدي ودرجات الحرارة الحرجة:

Determine the carbon content of your steel.] check the alloy specification (e.g., 1040 has 0.40%C, 1095 has 0.95%C). Confirm with chemical analysis if needed.
]Locate the appropriate phase boundaries.] Use the equilibrium diagram to find the A1 and A3 (or Acm) temperatures for that carbon content. For example, a 1040 steel has A1 = 727°C, A3 М
Adjust for alloying elements.] If the steel contains ⁇ 0.5 Mn, 1% Cr, etc., apply correction factors from heat treatment data sheets. A better approach is to use the ]ASTM standard for determination of Ac1 and Ac3 by lot dilatometry
]Select the type of heat treatment.] For hardening, set the austenitizing temperature at Ac3 + 50°C (for hypoeutectoid) or Ac1 + 50°C (for hypereutectoid). For annealing, use Ac3 + 30°C or Ac1 - 20°C depending on the grade.
Determine hold time.] Typical practice is 1 hour per inch of fishness, but adjust for section size and furnace preheat. The critical temperatures only define thermal limits; the time must be enough to dissolve carbides and homogenize the austenite.
Plan cooling.] The phase diagram does not show kinetics, so reference a ]CCT diagram for the specific alloy] to determine the cooling rate required to avoid pearlite or bainite and achieve martensite.
Verify results.] Use hardness testing, metallography, or dilatometry to confirm that the target micro structure was achieved. If not, adjust temperature or time based on the deviation from expected critical points.

وتكفل هذه العملية نتائج علاج الحرارة القابلة للتكاثر مع تجنب حدوث ثغرات مشتركة مثل عدم كفاية الاستهلاك، أو التكسير في الحبوب، أو التشويه جزئيا.

الأخطاء العامة عند استخدام المواقف الحرجة

تحدث أخطاء عديدة عندما يعتمد المهندسون على مخطط المرحلة من الكربون الحديدي بشكل غير صحيح:

إغراق الفرق بين التوازن والتمهيد العملي

ويبين الرسم البياني حالات التوازن، ففي الفرن الحقيقي، تبلغ معدلات التسخين 10.5 درجة مئوية في الدقيقة، يعني أن معدل التراكم الفعلي أعلى من التوازن ألف 1 بنسبة 30 درجة مئوية، وهذا معروف بأنه يسخن عالياً، وإذا وضعت فرونك عند درجة حرارة التوازن بالضبط، فإن الفولاذ لن يتغير، ويرمي دائماً إلى درجة حرارة الـ (أك 3) أو (أك1) بالإضافة إلى هامش أمان (العادة).

أجهزة العجلات الفوقية

ويفضّل تسخين فولاذ كربوني بنسبة 1 في المائة في منطقة الأوستنت الوحيدة (فوق أكسم) حل جميع الأسمنتات، ولكنه يسبب أيضاً ارتفاعاً شديداً في تساقط الحبوب ودرجة حرارة منخفضة جداً في السيدة، ويعزز الاستيعاب المحتفظ به، ويفضل أن يُسرد هذه الفولاذ من مرحلتين (الاستنايت + الأسمنتيت) وهذا واضح، ولكن كثيراً من المشغلين.

على افتراض أن كل ستيلات لها نفس A1

ومن المعتقدات المشتركة أن درجة حرارة الفولاذ 1 تبلغ دائما 727 درجة مئوية. وفي حين أن هذا ينطبق على الفولاذ الخفيف الكربوني، فإن الفولاذ المحمص يمكن أن يكون له درجات حرارة ألف 1 تتراوح بين 700 درجة مئوية ونحو 800 درجة مئوية. فمثلا، يكون الفولاذ المستخدم مثل D2 مصابا بألف 1 بالقرب من 780 درجة مئوية بسبب الكروم العالي، ويؤدي استخدام القيم الافتراضية إلى تحول غير كامل أثناء الإغراء أو الاستهزدحام.

مُجَرَّد للكربون

وإذا كان الفولاذ قد تم دفنه أو تطهيره، فإن محتوى الكربون السطحي يختلف عن الجوهر، ويطبق الرسم البياني بشكل مختلف على كل عمق، ويجب أن يعامل معالجة الحرارة في تكوين الحالة؛ وإلا فإن الركيزة قد لا تصعب أو قد تذوب، ويستخدم الفولاذ المُعادل درجة حرارة أقل من حيث الحجم بالنسبة للقلب وإمكانية أكبر للكربون في الحالة.

الاعتبارات المسبقة: دياغرامات غير التوازن

The iron-carbon phase dialibrium map, but heat treatment is inherently non-equilibrium. For cooling processes, you need isothermal transformation diagrame (TTT) and continuing cooling transformation diagramgrams (CCT:3]

وبالنسبة للتصفير والإغراء، يجب أن تعرفوا أيضاً درجة الحرارة في المارتينيت ودرجة الحرارة في المارتينيت، وفي حين أنه ليس في مخطط التوازن، يمكن تقدير السيدة من صيغ مثل معادلة أندروز: السيدة (س) = 539-423 (%C) - 30.4 (%Mn) - 17.7 (%Ni) - 12.1%

خاتمة

ويُعد تحديد درجات الحرارة الحرجة في مخطط المرحلة المتعلقة بمركبات الكربون، مهارة يجب أن يتقنها كل مهني في مجال المعالجة الحرارية، ويبدأ بفهم حدود A1 وA3 وAcm، وكيفية تغييرها بمحتوى الكربون والسب، ومن هناك، تُطبق تعديلات على معدلات التدفئة العملية، وآثار السكك الحديدية، وعملية المعالجة الحرارية المحددة التي تُعطيها باستمرار، أو تُعَدُّب، أو تغريق.