التغيرات في البنية المعدنية أثناء المعالجة الحرارية لصلب العدة

التغيرات في البنية المعدنية أثناء المعالجة الحرارية لصلب العدة

تتأثر البنية المعدنية لصلب العدة بشكل كبير بالمعالجات الحرارية، التي تهدف إلى تحسين الخواص الميكانيكية مثل الصلابة، والمتانة، ومقاومة التآكل. تشمل المعالجات الحرارية الرئيسية: التخمير، التصلب (التقسية)، والمراجعة (التخمير الجزئي)،  المعادلة ولكل عملية تأثيرات محددة على البنية المعدنية.

الشكل البلوري BCC

الخطوة الأولى: التحويل إلى الأوستنيت

تبدأ العملية بتسخين البنية المصلدة مسبقًا (عادة تتكون من الفيريت وكربيدات كروية، تُعرف بالسفيروديت)(Spheroidite) إلى حوالي 800 درجة مئوية (1450 درجة فهرنهايت) أو أكثر. يؤدي ذلك إلى تحويل الفيريت إلى الأوستنيت وإذابة معظم الكربيدات الكروية في الأوستنيت.

• بالنسبة لصلب العدة منخفض السبائك أو الكربوني العادي، يؤدي التحويل إلى الأوستنيت إلى انكماش في الحجم.
• يتناقص مقدار الانكماش مع زيادة محتوى الكربون وفقًا للمعادلة التالية: 

VSA$$=-4.64+2.21\times (\%C)$$                             

                          حيث VSA​ هو التغير في الحجم (بالنسبة المئوية) عند التحول من السفيروديت إلى الأوستنيت.

 مفهوم المعادلة:

1. دور محتوى الكربون:

   مثال:

صلب يحتوي على 0.5% كربون: تغير حجمي = -3.53%.
صلب يحتوي على 1% كربون: تغير حجمي = -2.43%.
صلب يحتوي على 1.5% كربون: تغير حجمي = -1.33%

1. • محتوى الكربون $$(\%C)$$ هو العامل المؤثر الأساسي في هذه المعادلة.
   • مع زيادة نسبة الكربون في المادة، يتناقص مقدار الانكماش النسبي أثناء التحول، حيث أن الكربون يعمل على تقليل الانكماش بسبب تأثيره على البنية البلورية للأوستنيت.

2. التغير في الحجم $VSA$:

   • عند محتوى كربون منخفض جدًا ($\%C \approx 0$)، يكون $VSA = - 4.64$
   • $$، مما يعني أن الحجم يتقلص بنسبة 4.64%.
   • مع زيادة محتوى الكربون، يقل تأثير الانكماش تدريجيًا، وقد يصبح أقل وضوحًا أو حتى يتحول إلى تمدد إذا تجاوزت نسبة الكربون حدًا معينًا.

الخطوة الثانية: التحول إلى المارتنسيت

 

يتم تبريد المعدن بسرعة لتحويل الأوستنيت إلى مارتنسيت، مما يؤدي إلى تمدد في الحجم.

كمية التمدد تتناسب عكسيًا مع كمية الكربون في الأوستنيت، 

وفقًا للمعادلة  :  $$$$VAM=4.64−0.53×(%C)               

• حيث:  
• $V_{AM}$ هو التغير في الحجم (بالنسبة المئوية) عند التحول إلى مارتنسيت.

مثال:

• صلب يحتوي على 0.5% كربون: تغير حجمي = 4.37%.
• صلب يحتوي على 1% كربون: تغير حجمي = 4.07%.
• صلب يحتوي على 1.5% كربون: تغير حجمي = 3.71%.

الخطوة الثالثة: التقسية (Tempering)

تشمل هذه الخطوة إعادة تسخين المارتنسيت المشكل حديثًا إلى درجات حرارة منخفضة لتحسين المتانة وتقليل الإجهادات البلورية.

• عند درجات حرارة تصل إلى 200 °C (400 °F):
  يتحلل المارتنسيت عالي الكربون إلى مارتنسيت منخفض الكربون (0.25%) مع كربيد إبسيليون، مصحوبًا بانكماش في الحجم.

• عند درجات حرارة بين 200 إلى 430 °C (400 إلى 800 °F):
  يتحلل المارتنسيت إلى فيريت وسمنتيت.

• في بعض صلب العدة عالي السبائك:
  تتحلل الكربيدات عند درجات حرارة 540 إلى 595 °C (1000 إلى 1100 °F)، مكونة كربيدات سبائكية (Alloy Carbides) تؤدي إلى تمدد إضافي في الحجم.

الاحتفاظ بالأوستنيت (Retained Austenite)

• غالبًا ما يتم الاحتفاظ بنسبة من الأوستنيت عند التبريد السريع بسبب انخفاض درجة حرارة التكوين الكامل للمارتنسيت (Mf)، خاصة في الصلب عالي السبائك.
• يمكن أن تتحول هذه النسبة من الأوستنيت إلى بينيت (Bainite) عند التقسية عند درجات حرارة بين 120 و260 °C (250 و500 °F)، مما يؤدي إلى تمدد إضافي.

ملخص التغيرات الحجمية

• التغيرات الصافية في الحجم أثناء المعالجة الحرارية تعتمد على نوع الصلب ومحتوى الكربون.
• التحول الكامل من بنية مصلدة إلى مارتنسيتية يؤدي إلى تغيرات في الحجم كما يلي:
  • صلب 0.5% كربون: 0.84% زيادة في الحجم.
  • صلب 1% كربون: 1.30% زيادة في الحجم.
  • صلب 1.5% كربون: 1.18% زيادة في الحجم.

التغيرات الخطية تعادل حوالي ثلث التغيرات الحجمية

التشوهات الحجمية في صلب العُدة

النسب الحجمية النموذجية لكل من المارتنسيت (Martensite)، والأوستينيت المتبقي (Retained Austenite)، والكربيدات غير المُذابة (Undissolved Carbides) موضحة في الجدول (1) لأربع أنواع مختلفة من صلب العُدة بعد تبريدها من درجات حرارة الأوستنة الموصى بها.

الجدول 1: المكونات الميكروية في صلب العُدة بعد التصلب الحراري

السبيكة	المعالجة الحرارية للتصلب	الصلادة بعد التبريد (HRC)	المارتنسيت (%)	الأوستينيت المتبقي (%)	الكربيدات غير المُذابة (%)
W1	790 °م (1450 °ف)، 30 دقيقة؛ تبريد بالماء (WQ)	67.0	88.5	9.0	2.5
L3	845 °م (1550 °ف)، 30 دقيقة؛ تبريد بالزيت (OQ)	66.5	90.0	7.0	3.0
M2	1225 °م (2235 °ف)، 6 دقائق؛ تبريد بالزيت (OQ)	64.0	71.5	20.0	8.5
D2	1040 °م (1900 °ف)، 30 دقيقة؛ تبريد بالهواء (AC)	62.0	45.0	40.0	15.0

					ملحوظة: WQ: التبريد بالماء OQ: التبريد بالزيت AC: التبريد بالهواء التغيرات الأبعادية الخطية النموذجية (Linear Dimensional Changes) التغيرات الأبعادية الخطية النموذجية لأنواع متعددة من صلب العُدة موضحة في الجدول (2). بعض الأنواع مثل A10 تظهر تغيرًا بسيطًا جدًا في الأبعاد عند التصلب والتلطيف عبر مدى واسع من درجات الحرارة بين 150 إلى 600 درجة مئوية (300 إلى 1100 درجة فهرنهايت). الجدول 2: التغيرات الأبعادية النموذجية أثناء التصلب والتلطيف الحراري تفاصيل الجدول: المعالجة الحرارية للتصلب: تشير إلى درجة الحرارة المتبعة في التصلب ووسيط التبريد المستخدم. التغير الكلي في الأبعاد الخطية (%): يوضح النسبة المئوية للتغير في الأبعاد بعد عملية التبريد مباشرة وأيضًا بعد التلطيف (Tempering) عند درجات حرارة مختلفة. السبيكة درجة حرارة التصلب وسيط التبريد التغير الكلي في الأبعاد الخطية (%) بعد التبريد درجة حرارة المراجعة (°م) التغير في الأبعاد الخطية (%) بعد المراجعة O1 م° 815 (1500 °ف) زيت 0.22 150 - 600 °م (300 - 1100 °ف) من 0.17 إلى 0.18 O6 م°790  (1450 °ف) زيت 0.12 150 - 600 °م (300 - 1100 °ف) من -0.05 إلى -0.07 A2 م°955   (1750 °ف) هواء 0.09 150 - 600 °م (300 - 1100 °ف) من 0.06 إلى 0.08 A10 م°790   (1450 °ف) هواء 0.04 150 - 600 °م (300 - 1100 °ف) ثابت تقريبًا (0.00 إلى0.02 ) D2 م°1010 (  (1850 °ف هواء 0.06 150 - 600 °م (300 - 1100 °ف) من -0.02 إلى 0.06 H11 م°1010   (1850 °ف) هواء 0.11 150 - 600 °م (300 - 1100 °ف) من 0.06 إلى 0.12 H13 م°1010   (1850 °ف) هواء -0.01 150 - 600 °م (300 - 1100 °ف) ثابت تقريبًا (0.00 إلى 0.06) M2 م°1210 ( (2210 °ف زيت -0.02 540 - 595 °م (1000 - 1100 °ف) من -0.06 إلى 0.16 M41 م°1210   (2210 °ف) زيت -0.16 540 - 595 °م (1000 - 1100 °ف) من -0.17 إلى 0.23   ملاحظات: بعض الأنواع مثل M2 وM41 (الصلب عالي السرعة) تظهر تمددًا بنسبة 0.2% تقريبًا عند التلطيف في مدى درجات حرارة 540-595 °م (1000-1100 °ف) للوصول إلى أقصى صلادة ثانوية (Secondary Hardness). البيانات المقدمة مفيدة للمقارنة، لكن لا يمكن استخدامها وحدها لتوقع التغيرات الأبعادية الدقيقة لأداة معينة بسبب العوامل المتعلقة بتشوه الشكل (Shape Distortion). ملحوظة إضافية: سيتم استعراض الكثافة وخصائص التمدد الحراري لعدة أنواع من صلب العُدة في الجدول (3). تشوه الشكل في صلب العُدة (Shape Distortion in Tool Steels) 1. تأثير الحرارة العالية على صلب العُدة: تقل متانة صلب العُدة بسرعة عند درجات حرارة تتجاوز 600 °م (1100 °ف). عند درجة حرارة الأوستنيتة (Austenitizing)، تكون مقاومة الخضوع (Yield Strength) منخفضة جدًا، مما يجعل الأجزاء عرضة للتشوه البلاستيكي بسبب الضغوط الناتجة عن الوزن الذاتي. الأجزاء الطويلة، الكبيرة، أو المعقدة تتطلب دعماً مناسباً عند المواقع الحرجة لتجنب الترهل أثناء المعالجة الحرارية. 2. تأثير التسخين السريع: يزيد التسخين السريع من تشوه الشكل، خصوصًا في الأدوات الكبيرة والمعقدة التي تحتوي على أجزاء خفيفة وثقيلة. الاختلاف في التمدد الحراري بين الأقسام الخفيفة والثقيلة أو بين السطح والداخل يؤدي إلى ضغوط حرارية كبيرة. في البداية، تتشوه المناطق الأكثر سخونة لتخفيف الإجهاد الحراري. مع تقليل الفارق الحراري، يحدث عكس جزئي للإجهاد الحراري، مما يؤدي إلى تشوه إضافي، ولكن بدرجة أقل. 3. التسخين البطيء لتقليل التشوه: يقلل التسخين البطيء من الفروق الحرارية، ويحافظ على الإجهادات الحرارية داخل النطاق المرن للمادة. التسخين المثالي يبدأ من فرن بارد، ولكنه غير عملي في معظم الحالات إلا في الأفران الفراغية (Vacuum Furnaces). عند استخدام الأفران الملحية (Fused Salt) أو الأفران ذات الغلاف الجوي (Atmosphere Furnaces)، يُوصى بالتسخين المسبق (Preheating) عند درجة أو أكثر قبل التسخين إلى درجة حرارة الأوستنيتة. 4. التشوه أثناء التبريد: الفروق الكبيرة في درجة الحرارة بين السطح والداخل، وبين الأجزاء الخفيفة والثقيلة، تسبب تشوهًا شديدًا بسبب: الإجهاد الحراري (Thermal Stress). الإجهاد الميكانيكي الناتج عن تحول المارتنسيت (Martensitic Transformation). المشكلة تكون أشد عندما تكون صلادة الفولاذ منخفضة وتتطلب معدل تبريد سريع للحصول على صلادة كاملة. في هذه الحالات، قد يكون من الأفضل استخدام فولاذ عُدة عالي الصلادة (High-Hardenability)، يتصلب عند معدلات تبريد أبطأ. 5. تأثير وسائط التبريد: الصلب المروي بالماء (Water-quenched steels) يظهر عادةً تغييرات كبيرة في الأبعاد بعد التبريد. الصلب الكربوني البسيط مثل W1 وW2 يظهر حركة أقل في المقاطع الكبيرة مقارنة بالأدوات المصنوعة من درجات ذات صلادة أعلى. 6. تقليل التشوه في الفولاذ منخفض الصلادة: يمكن تقليل التشوه باستخدام: تثبيت الأجزاء (Fixturing). التبريد بالضغط (Pressure Die Quenching). يُوصى بتثبيت الأجزاء الطويلة المتماثلة وتبريدها في الوضع الرأسي مع التحريك العمودي لوسط التبريد.