8 التركيبات الدقيقة الشائعة للمعدن والسبائك

يمكن تقسيم المواد الحديثة إلى أربع فئات: المعادن والبوليمرات والسيراميك والمواد المركبة. على الرغم من التطور السريع للمواد الجزيئية، لا يزال الفولاذ هو المادة الأكثر استخدامًا والأكثر أهمية في التكنولوجيا الهندسية الحالية. ما هي العوامل التي تحدد الوضع المهيمن للمواد الفولاذية؟ الآن دعونا نقدمها بالتفصيل.

يتم استخراج الحديد والصلب من خام الحديد، وهو غني بالمصادر ومنخفض السعر. الحديد والصلب، المعروف أيضًا باسم سبائك الحديد والكربون، عبارة عن سبيكة تتكون من الحديد (Fe) والكربون (C)، والسيليكون (Si)، والمنغنيز (Mn)، والفوسفور (P)، والكبريت (S) وعناصر صغيرة أخرى. (كر، الخامس، الخ). يمكن الحصول على هياكل ميتالوغرافية مختلفة عن طريق ضبط محتوى العناصر المختلفة في الصلب وعملية المعالجة الحرارية (أربع عمليات حرق: التبريد، التلدين، التقسية، التطبيع)، بحيث يكون للصلب خصائص فيزيائية مختلفة. يُطلق على الهيكل الذي يتم ملاحظته تحت المجهر الميتالوغرافي اسم الهيكل المعدني للصلب بعد أخذ العينات والطحن والتلميع والحفر باستخدام عامل تآكل محدد. أسرار المواد الفولاذية مخفية في هذه الهياكل.

        في نظام Fe-Fe3C، يمكن تحضير سبائك الحديد والكربون بتركيبات مختلفة. تختلف هياكل التوازن الخاصة بها عند درجات حرارة مختلفة، ولكنها تتكون من عدة مراحل أساسية (الفريت F، الأوستينيت A والسمنتيت Fe3C). يتم دمج هذه المراحل الأساسية في شكل خلائط ميكانيكية، لتشكل هيكلًا معدنيًا غنيًا وملونًا من الفولاذ. هناك ثمانية هياكل ميتالوغرافية شائعة:

أنا الفريت

 يُسمى المحلول الصلب الخلالي المتكون عن طريق إذابة الكربون في الشبكة الخلالية لشبكة الحديد الفريت، والذي ينتمي إلى هيكل BCC وهو توزيع حبوب متعدد الأضلاع متساوي المحاور، والذي يتم التعبير عنه بالرمز F. هيكله وخصائصه مشابهة للحديد النقي. تتمتع بمرونة وصلابة جيدة، لكن قوتها وصلابتها أقل (30-100 HB). في سبائك الصلب، وهو عبارة عن محلول صلب من عناصر الكربون والسبائك في ألفا الحديد. ذوبان الكربون في ألفا الحديد منخفض جدًا. عند درجة حرارة AC1، يكون الحد الأقصى للذوبان في الكربون هو 0.0218%، ولكن مع انخفاض درجة الحرارة، تنخفض القابلية للذوبان إلى 0.0084%. لذلك، يظهر السمنتيت الثالث عند حدود حبيبات الفريت تحت ظروف التبريد البطيئة. مع زيادة محتوى الكربون في الفولاذ، يقل عدد الفريت ويزداد عدد البرليت. في هذا الوقت، الفريت هو الشبكة والهلال.

Ⅱ.الأوستينيت

 يُسمى المحلول الصلب الخلالي الناتج عن انحلال الكربون في الفضاء الخلالي لشبكة جاما الحديد بالأوستينيت. له هيكل مكعب محوره الوجه وهو مرحلة ذات درجة حرارة عالية، والتي يتم تمثيلها بالرمز A. يمتلك الأوستينيت أقصى قابلية للذوبان تبلغ 2.11% C عند 1148 درجة مئوية ومحلول صلب قدره 0.77% C عند 727 درجة مئوية. قوته وصلابته هي أعلى من الفريت، اللدونة والمتانة جيدة، وغير مغناطيسية. ترتبط خواصه الميكانيكية المحددة بمحتوى الكربون وحجم الحبوب، بشكل عام 170-220 HBS، = 40-50%. فولاذ TRIP هو فولاذ تم تطويره على أساس اللدونة الجيدة ومرونة الأوستينيت. يتم استخدام التحول الناجم عن الإجهاد واللدونة الناجمة عن التحول للأوستينيت المحتجز لتحسين مرونة اللوحة الفولاذية وقابلية تشكيل اللوحة الفولاذية. يتحول الأوستينيت الموجود في الفولاذ الإنشائي الكربوني أو السبائك إلى مراحل أخرى أثناء التبريد. فقط بعد الكربنة والتبريد بدرجة حرارة عالية للفولاذ عالي الكربون والفولاذ المكربن، يمكن أن يبقى الأوستينيت في فجوة المارتينسيت، ويكون هيكله المعدني أبيضًا لأنه ليس من السهل تآكله.

Ⅲ. سمنتيت

 الأسمنت هو مركب معدني يتم تصنيعه بواسطة نسبة معينة من الكربون والحديد. توضح الصيغة الجزيئية Fe3C أن محتواها من الكربون هو 6.69%، ويتم تشكيل (Fe, M) 3C في السبيكة. السمنتيت صلب وهش، اللدونة ومتانة التأثير تكاد تكون معدومة، وهشاشته عالية جدًا وصلابته 800HB. في الحديد والصلب، يكون التوزيع عادة عبارة عن شبكة، وشبه شبكة، ورقاقة، ورقاقة إبرة، وحبيبية.

 رابعا. بيرليت

 البيرليت عبارة عن خليط ميكانيكي من الفريت والسمنتيت، معبرًا عنه بالرمز P. وتتراوح خواصه الميكانيكية بين الفريت والسمنتيت، مع قوة عالية وصلابة متوسطة ولدونة معينة. البيرليت هو نتاج التحول اليوتيكتويدي في الفولاذ. شكله هو أن الفريت والسمنتيت مرتبان في طبقات مثل بصمات الأصابع. وفقًا لنمط توزيع الكربيدات، يمكن تقسيمها إلى نوعين: البيرليت الرقيق والبيرليت الكروي.

 أ. رقائق البيرليت: يمكن تقسيمها إلى ثلاثة أنواع: رقائق سميكة، ورقائق متوسطة، ورقائق ناعمة.

ب. البيرليت الكروي: يتم الحصول عليه عن طريق التلدين الكروي، ويتم كروية السمنتيت وتوزيعه على مصفوفة الفريت. يعتمد حجم الأجسام الشبه الكروية الأسمنتية على عملية التلدين الكروي، وخاصة معدل التبريد. يمكن تقسيم البيرليت الكروي إلى أربعة أنواع: كروي خشن، كروي، كروي ناعم ومثقب.

في بينيت

الباينيت هو نتاج تحول الأوستينيت تحت منطقة تحول البرليت وفوق نقطة MS في منطقة درجة الحرارة المتوسطة. الباينيت هو خليط ميكانيكي من الفريت والسمنتيت، وهو هيكل بين البرليت والمارتنسيت، معبرًا عنه بالرمز B. وفقًا لدرجة حرارة التكوين، يمكن تقسيمه إلى بينيت حبيبي، بينيت علوي (علوي B) وباينيت سفلي (سفلي B). بينيت الحبيبي لديه قوة منخفضة ولكن صلابة جيدة. يتمتع الباينيت السفلي بقوة عالية وصلابة جيدة. بينيت الحبيبي لديه أسوأ صلابة. مورفولوجيا الباينيت قابلة للتغيير. وفقا لخصائص شكله، يمكن تقسيم الباينيت إلى ثلاثة أنواع: الريش والإبرة والحبيبات.

أ. بينيت العلوي:

يتميز الباينيت العلوي بالترتيب المتوازي لشريط الفريت، مع شريط ناعم (أو قضيب قصير) من السمنتيت الموازي لمحور إبرة الفريت، الريشي.

ب. بينيت السفلي:

رقائق إبرة دقيقة، ذات اتجاه معين، أكثر عرضة للتآكل من المارتينسيت المروي، تشبه إلى حد كبير المارتينسيت المقسى، من الصعب جدًا تمييزها تحت المجهر الضوئي، ومن السهل تمييزها تحت المجهر الإلكتروني. يترسب الكربيد في الفريت الحاد، واتجاه محاذاةه هو 55-60 درجة مع المحور الطويل لصفائح الفريت، ولا يحتوي الباينيت السفلي على توائم، وهناك المزيد من الاضطرابات.

ج. بينيت الحبيبي:

الفريت ذو شكل متعدد الأضلاع والعديد من الهياكل غير المنتظمة التي تشبه الجزيرة. عندما يتم تبريد الأوستينيت من الفولاذ إلى أعلى قليلاً من درجة حرارة تشكيل الباينيت العلوي، تهاجر بعض ذرات الكربون من الفريت المترسب من الفريت إلى الأوستينيت عبر حدود طور الفريت/الأوستينيت، مما يجعل الأوستينيت غنيًا بالكربون بشكل غير متساوٍ، وبالتالي يقيد التحول من الأوستينيت الأوستينيت إلى الفريت. تكون هذه المناطق الأوستنيتية بشكل عام شبيهة بالجزيرة، أو حبيبية أو شريطية، وموزعة على مصفوفة من الفريت. أثناء التبريد المستمر، وفقًا لتكوين الأوستينيت وظروف التبريد، يمكن أن يخضع الأوستينيت الموجود في كفالات الحبوب للتغييرات التالية.

(ط) التحلل إلى الفريت والكربيد كليًا أو جزئيًا. تحت المجهر الإلكتروني، يمكن رؤية كربيدات حبيبية أو عصوية أو كتلة صغيرة ذات توزيع متعدد الاتجاهات مشتت.

(2) التحول الجزئي إلى مارتنسيت، وهو أصفر بالكامل تحت المجهر الضوئي.

(3) لا يزال يحتفظ بالأوستينيت الغني بالكربون.

يتم توزيع الكربيدات الحبيبية على مصفوفة الفريت من الباينيت الحبيبي (كان هيكل الجزيرة في الأصل أوستينيت غني بالكربون، والذي تحلل إلى فريت وكربيد عند تبريده، أو تحول إلى مارتنسيت أو بقي جزيئات الأوستينيت الغنية بالكربون). بينيت الريش، مصفوفة الفريت، كربيد الشريط المترسب على هامش ورقة الفريت. بينيت السفلي، الفريت الحلقي مع كربيد تقشر صغير، كربيد تقشر في الفريت للمحور الطويل هو ما يقرب من 55 ~ 60 درجة زاوية. 

السادس. مناديل ويشر

هيكل Widmanstatten هو نوع من الهيكل شديد السخونة، والذي يتكون من إبر الفريت التي تتقاطع مع بعضها البعض بحوالي 60 درجة ومدمجة في مصفوفة الفولاذ. يقلل هيكل Widmanstatten الخشن من مرونة وصلابة الفولاذ ويزيد من هشاشته. في الفولاذ ناقص اليوتكتويد، تتشكل الحبوب الخشنة عن طريق التسخين الزائد وتترسب بسرعة عند التبريد. لذلك، بالإضافة إلى الترسيب الشبكي على طول حدود الحبوب الأوستنيتية، تتشكل بعض الفريت من حدود الحبوب إلى الحبوب وفقًا لآلية القص ويتم ترسيبها بشكل منفصل في الإبر. هيكل هذا التوزيع يسمى هيكل Widmanstatten. عندما يتم تبريد الفولاذ الفائق اليوتكتويد شديد الحرارة، يمتد السمنتيت أيضًا من حدود الحبوب إلى الحبوب ويشكل بنية ويدمانستاتن.

Ⅶ.مارتنسيت

ويسمى المحلول الصلب المفرط للكربون في ألفا الحديد بالمارتنسيت. يتمتع المارتنسيت بقوة وصلابة عالية، لكن اللدونة ضعيفة، تقريبًا صفر. لا يمكنه تحمل حمل التأثير المعبر عنه بالرمز M. Martensite هو نتاج التبريد السريع للأوستينيت المبرد وتحويل وضع القص بين نقطتي MS وMf. في هذا الوقت، لا يمكن للكربون (وعناصر السبائك) أن تنتشر في الوقت المناسب، فقط من الشبكة (مركز الوجه) من جاما الحديد إلى الشبكة (مركز الجسم) من ألفا الحديد، أي المحلول الصلب (الأوستينيت) من الكربون في جاما الحديد إلى المحلول الصلب للكربون في ألفا الحديد. لذلك، يعتمد تحويل المارتنسيت على الخصائص المعدنية للمارتنسيت، والتي يمكن تقسيمها إلى مارتنسيت اللوح (منخفض الكربون) والمارتنسيت الحاد.

أ. مارتنسيت اللوح:

المعروف أيضًا باسم مارتنسيت منخفض الكربون. يتم محاذاة شرائح المارتنسيت الدقيقة بنفس الحجم تقريبًا بالتوازي لتكوين حزم مارتنسيت أو مجالات مارتنسيت. فرق الاتجاه بين المجالات والمجالات كبير، ويمكن تشكيل عدة مجالات ذات اتجاهات مختلفة في حبة الأوستينيت البدائية. بسبب ارتفاع درجة حرارة تكوين مارتنزيت اللوح، ستحدث حتما ظاهرة التقسية الذاتية في عملية التبريد، وسوف تترسب الكربيدات في مارتنسيت المتكون، لذلك يكون عرضة للتآكل والتغميق.

 ب. مارتنسيت محدد:

يُعرف أيضًا باسم مارتنسيت فليك أو مارتنسيت عالي الكربون، وخصائصه الأساسية هي: طبقة مارتنسيت الأولى المتكونة في حبة الأوستينيت تكون كبيرة نسبيًا، وغالبًا ما تكون في جميع أنحاء الحبوب الكاملة، وتنقسم حبيبات الأوستينيت، بحيث يكون حجم مارتنسيت المتكون لاحقًا محدودًا ، لذلك يختلف حجم رقائق المارتنسيت، وتوزيعها غير منتظم. يتشكل المارتنسيت الحاد في اتجاه معين. هناك سلسلة من التلال الوسطى في إبرة المارتنسيت. كلما زاد محتوى الكربون، كلما كان المارتينسيت أكثر وضوحًا. وفي الوقت نفسه، يوجد أوستينيت أبيض محتفظ به بين المارتنسيت.

 ج. يمكن للمارتنسيت المتكون بعد التبريد أن يشكل أيضًا ثلاثة هياكل ميتالوغرافية خاصة بعد التقسية:

(ط) مارتنسيت خفف:

مركب من صفائح مارتنسيت التي تتشكل أثناء التبريد (مع بنية بلورية لمركز جسم رباعي الزوايا) والذي يتحلل في المرحلة الأولى من التقسية، حيث يتم إذابة الكربون في شكل كربيدات انتقالية، وصفائح كربيد انتقالية دقيقة للغاية منتشرة في المادة الصلبة مصفوفة الحل (التي تغير تركيبها البلوري إلى مكعب متمركز حول الجسم) (الواجهة مع المصفوفة عبارة عن واجهة متماسكة) بنية الطور. هذا النوع من البنية لا يمكنه تمييز بنيته الداخلية حتى عند تكبيره إلى الحد الأقصى تحت المجهر الميتالوجرافي (البصري)، ويمكنه فقط رؤية أن بنيته بأكملها عبارة عن إبرة سوداء (شكل الإبرة السوداء هو في الأساس نفس شكل الإبرة البيضاء المشكلة أثناء التبريد). يسمى هذا النوع من الإبرة السوداء "المارتنسيت المقسى".

(2) تروستايت خفف:

منتج من المارتنسيت المروي المقسى بدرجة حرارة متوسطة، ويتميز بالاختفاء التدريجي لشكل إبرة المارتينسيت، ولكنه لا يزال مرئيًا بشكل غامض (سبائك الصلب المحتوية على الكروم، ودرجة حرارة إعادة تبلور سبائك الفريت أعلى، لذلك لا تزال تحتفظ بشكل الإبرة)، والكربيدات المترسبة صغيرة ، يصعب تمييزها تحت المجهر الضوئي، ولا يمكن رؤية جزيئات الكربيد إلا تحت المجهر الإلكتروني، وهي قطب عرضة لتآكل الأنسجة واسودادها. إذا كانت درجة حرارة التقسية أعلى أو تم الاحتفاظ بها لفترة أطول، فستكون الإبر بيضاء. في هذا الوقت، سيتم تركيز الكربيدات على حافة الإبر، وستكون صلابة الفولاذ أقل قليلاً وستنخفض القوة.

(ثالثًا) السوربيت المقسى:

منتج من المارتنسيت المروي والمخفف بدرجة حرارة عالية. خصائصه هي: يتم توزيع الكربيدات الحبيبية الدقيقة على مصفوفة السوربيت، والتي يمكن تمييزها بوضوح تحت المجهر الضوئي. هذا النوع من الهياكل، المعروف أيضًا باسم البنية المشروطة، يتمتع بمزيج جيد من القوة والمتانة. كلما كانت الكربيدات الدقيقة على الفريت أدق، زادت الصلابة والقوة، وكانت الصلابة أسوأ. بل على العكس، كلما انخفضت الصلابة والقوة، زادت الصلابة.

Ⅷ.الديبوريت

الخلائط سهلة الانصهار في سبائك FERROCARBON، أي سبائك FERROCARBON السائلة مع جزء كتلة من الكربون (محتوى الكربون) قدره 4.3%، تسمى ليدبوريت عندما تتبلور الخلائط الميكانيكية من الأوستينيت والسمنتيت في وقت واحد من السائل عند 1480 درجة مئوية. بما أن الأوستينيت يتحول إلى بيرليت عند 727 درجة مئوية، فإن الليديبوريت يتكون من البرليت والسمنتيت في درجة حرارة الغرفة. من أجل التمييز بين الليديبوريت فوق 727 درجة مئوية يسمى الليديبوريت ذو درجة الحرارة العالية (L d)، ويسمى الليديبوريت تحت 727 درجة مئوية بالليديبوريت ذو درجة الحرارة المنخفضة (L'd). تشبه خصائص الليديبوريت خصائص السيمنتيت ذات الصلابة العالية واللدونة الضعيفة.