التخميل الكامل: استعادة قابلية العمل للصلب من خلال التسخين المنضبط

التعريف والمفهوم الأساسي

التخفيض الكامل هو عملية معالجة حرارية تُطبَّق على الفولاذ وغيرها من المعادن حيث يتم تسخين المادة إلى درجة حرارة معينة أعلى من درجة الحرارة الحرجة العليا (عادةً 30-50 درجة مئوية أعلى)، وتبقى عند تلك الحرارة لفترة كافية للسماح بتحويل الأوستنيت بالكامل، ثم تبرد ببطء (عادةً في فرن) إلى درجة حرارة الغرفة. تنتج هذه العملية مادة لينة وقابلة للتشكيل مع قابلية تشغيل جيدة وثبات أبعاد.

يمثل التخفيض الكامل واحدًا من أساليب المعالجة الحرارية الأساسية في معالجة المعادن، ويعمل كوسيلة للقضاء على الضغوط الداخلية، وتليين المادة، وتنقيح بنية الحبوب. إنه مهم بشكل خاص لإعداد الفولاذ لعمليات التشكيل اللاحقة أو عمليات التشغيل حيث يُطلب الحد الأقصى من القابلية للتشكيل.

ضمن مجال المعادن الأوسع، يعتبر التخفيض الكامل معيارًا في معالجة الحرارة تتقارن معه عمليات أخرى مثل التطبيع، والتبريد المفاجئ، والتمليس. ينتج عنه بنية دقيقة قريبة من التوازن تعمل كنقطة مرجعية لفهم كيفية تأثير العمليات الحرارية والميكانيكية المختلفة على خصائص الفولاذ.

الطبيعة الفيزيائية والأساس النظري

الآلية الفيزيائية

على مستوى البنية المجهرية، ينطوي التخفيض الكامل على تحول كامل للطور في بنية كريستال الفولاذ. عند التسخين فوق درجة الحرارة الحرجة، يتحول الهيكل الفيريت بيرفورم (BCC) وأي كربيدات موجودة إلى الأوستنيت المكعب المركزي الملامس (FCC). خلال عملية التبريد البطيء، يتحول هذا الأوستنيت مرة أخرى إلى فيريت وسمنتيت، ولكن في هيكل أكثر تنظيمًا وتوازنًا.

تسمح سرعة التبريد البطيئة لذرات الكربون بالانتشار على مسافات طويلة نسبياً، مما يشكل البيرليت الخشن مع طبقات سمنتية كبيرة. تقلل هذه العملية التي تتحكم فيها الانتشار من تشوه الشبكة وتقلل كثافة التشوه داخل المادة. تحتوي البنية المجهرية الناتجة على عيوب وضغوط داخلية أقل مقارنة بالحالة السابقة للتخفيض.

النماذج النظرية

النموذج النظري الرئيسي الذي يصف التخفيض الكامل يستند إلى كينتيك التحولات الطورية، خصوصًا مخططات الوقت-الحرارة-التحول (TTT) والتحول المستمر عند التبريد (CCT). تم تطوير هذه النماذج أولاً بواسطة باين ودافنبورت في عشرينيات القرن العشرين، وتصف كيف يتحول الفولاذ من الأوستنيت إلى مراحل مختلفة اعتمادًا على سرعات التبريد.

تاريخيًا، تطورت الفهم للتخفيض من معرفة الحرفة التجريبية إلى الفهم العلمي من خلال أعمال علماء المعادن مثل أدولف مارتنز وهينري كليفتون سوربي في أواخر القرن التاسع عشر. وضعت دراستهم المجهرية لميكروstructures الفولاذ قاعدة لنظرية التخفيض الحديثة.

تشتمل الأساليب الحديثة على نماذج حسابية تعتمد على معادلات الانتشار ومبادئ الديناميكا الحرارية للتنبؤ بتطور البنية المجهرية أثناء التخفيض. وتشمل هذه نماذج مجال الطور وطرق CALPHAD (حساب مخططات الطور) التي يمكن أن تحاكي عملية التخفيض بدقة متزايدة.

أساس علم المواد

يؤثر التخفيض الكامل بشكل عميق على بنية الكريستال للفولاذ عن طريق السماح للذرات بإعادة الترتيب إلى تكوينات ذات طاقة أقل. تقلل هذه العملية من كثافة التشوهات وغيرها من العيوب الكريستالية، والتي تمثل حواجز للتشويه البلاستيكي، مما يزيد من قابلية التشكيل.

تتغير حدود الحبوب بشكل كبير أثناء التخفيض. يسمح النقع في درجات الحرارة العالية بنمو الحبوب، بينما يشجع التبريد البطيء على تشكيل مراحل توازن مع الحد الأدنى من الإجهاد الداخلي. ينتج عن ذلك هيكل بيرليتي خشن في الفولاذ القريب للأيوتيكتوالي أو بيرليت مع شبكات سمنتية في الفولاذ البعيد لأيوتيكتوالي.

تظهر العملية أساسًا بعض المبادئ الرئيسية لعلم المواد بما في ذلك التحول الطوري، الانتشار، إعادة البلورة، ونمو الحبوب. إنها تمثل نهجًا منضبطًا لجعل المادة أقرب إلى حالة توازنها الديناميكي الحراري، مما يقلل من الطاقة الحرة في النظام.

التعبير الرياضي وطرق الحساب

الصيغة الأساسية للتعريف

يمكن حساب درجة حرارة التخفيض للتخفيض الكامل للفولاذ القريب للأيوتيكتوالي على النحو التالي:

$$T_{annealing} = A_3 + (30\text{ إلى }50°\text{م})$$

حيث $A_3$ هو درجة الحرارة الحرجة العليا التي يمكن تقديرها للفولاذ القريب للأيوتيكتوالي باستخدام صيغة أندروز:

$$A_3(°\text{م}) = 910 - 203\sqrt{\text{C}} - 15.2\text{Ni} + 44.7\text{Si} + 104\text{V} + 31.5\text{Mo} + 13.1\text{W}$$

حيث تمثل الرموز الكيميائية النسب الوزنية للعناصر المعنية في الفولاذ.

الصيغ الحسابية ذات الصلة

يمكن تقدير الوقت المطلوب للتخفيض الكامل باستخدام:

$$t = k \cdot d^2$$

حيث $t$ هو وقت الاحتفاظ بالدقائق، $d$ هو سمك المقطع بالمليمترات، و$k$ هو ثابت خاص بالمادة عادةً ما يتراوح من 0.5-1.0 دقيقة/mm² للفولاذ الكربوني.

يجب أن تكون سرعة التبريد للتخفيض الكامل بطيئة بما يكفي لتجنب التحولات غير المتوازنة ويمكن حسابها على النحو التالي:

$$R_c = \frac{T_{annealing} - T_{room}}{t_{cooling}}$$

حيث $R_c$ هو معدل التبريد بـ °C/ساعة، $T_{annealing}$ هي درجة حرارة التخفيض، $T_{room}$ هي درجة حرارة الغرفة، و$t_{cooling}$ هو وقت التبريد بالساعات.

الشروط القابلة للتطبيق والقيود

تنطبق هذه الصيغ أساسًا على الفولاذ الكربوني العادي والفولاذ منخفض السبيكة بمحتوى كربون أقل من 2%. بالنسبة للفولاذ العالي السبيكة، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى تحديد تجريبي لدرجات الحرارة الحرجة حيث تصبح النماذج النظرية أقل دقة.

تواجه صيغة أندروز قيودًا عندما تتفاعل عناصر السبيكة المتعددة، مما قد يؤدي إلى تغيير درجات الحرارة المحورية بطرق لا تلتقطها المعادلة الخطية. بالإضافة إلى ذلك، تفترض هذه الحسابات وجود مادة متجانسة دون تمايز كبير أو تاريخ إزالة التشوه المسبق.

تفترض معادلة وقت الاحتفاظ تسخينًا متجانسًا وتحويلًا كاملًا كهدف، وهو ما قد لا ينطبق على عمليات التخفيض المتخصصة حيث يكون التحول الجزئي مرغوبًا.

طرق القياس والتوصيف

مواصفات الاختبار القياسي

• ASTM A1033: الممارسة القياسية للقياس الكمي والإبلاغ عن تحول مراحل الفولاذ القريب للأيوتيكتوالي والفولاذ ذو السبيكة المنخفضة
• ASTM E3: الدليل القياسي لإعداد عينات المعادن الفلزيّة
• ASTM E407: الممارسة القياسية للميكروإيتش على المعادن والسبائك
• ISO 643: الفولاذ - تحديد دقيق لحجم الحبوب الظاهرة
• ASTM E112: طرق اختبار القياس لتحديد حجم الحبوب المتوسط

تشمل هذه المعايير إعداد العينات، والتحليل المجهرية، وأساليب تحديد حجم الحبوب الأساسية لتقييم هياكل الفولاذ المعالج بالتخفيض.

معدات الاختبار والمبادئ

لا يزال المجهر الضوئي الأداة الأساسية لتقييم البنى المجهرية المعالجة بالتخفيض، عادةً باستخدام تكبيرات بين 100x و1000x. يكشف المجهر عن حجم الحبوب، وتوزيع الطور، والشكل بعد الفك بكفاءة.

توفر أجهزة اختبار الصلابة (برينيل، روكويل، أو فيكرز) تقييمًا كميًا لفعالية التخفيض، حيث يقلل التخفيض الكامل عادةً من الصلابة إلى مستويات قابلة للتوقع. تقيس هذه الطرق مقاومة المادة للاختراق باستخدام محددات وأحمال موحدة.

قد تتطلب التوصيفات المتقدمة استخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) مع طيف الأشعة السينية الموزعة بالطاقات (EDS) لتحليل تركيب الأطوار وتوزيعها في تكبيرات أعلى. يمكن أن تكشف التصوير بالتحليل المبعثر الإلكتروني (EBSD) عن الاتجاهات البلورية وتطور النسيج.

متطلبات العينات

تتطلب العينات المعدنية القياسية تقطيعا دقيقا لتجنب التشوه أو التسخين الذي قد يعدل البنية المجهرية. الأبعاد النموذجية هي 1-2 سم² من المساحة السطحية مع وجوه مسطحة ومتوازية.

يتضمن إعداد السطح الطحن باستخدام مواد تجليخ تدريجية (عادةً حتى 1200 حبيبة)، تليها البوليش باستخدام معلقات من الألماس أو الألومينا لتحقيق لمسة مرآة. غالبًا ما يتضمن الإعداد النهائي إيتش كيميائي باستخدام مفاعلات ملائمة (مثل 2-5% نيتال للفولاذ الكربوني).

يجب أن تكون العينات ممثلة للمادة الكلية، مع تجنب المناطق التي تحتوي على إزالة الكربون، أو الأكسدة المفرطة، أو الضرر الميكانيكي الذي قد يمثل الحالة المعالجة بالتخفيض بشكل غير دقيق.

معلمات الاختبار

عادةً ما يتم إجراء الفحص المجهرية في درجة حرارة الغرفة تحت ظروف إضاءة متحكم بها. تشمل تقنيات الإضاءة القياسية الضوء الساطع، والضوء الداكن، والتباين التداخلي التفاضلي لتسليط الضوء على الميزات المجهرية المختلفة.

يتطلب اختبار الصلابة أحمالًا محددة وأوقات توقف كما هو موضح في المعايير (على سبيل المثال، HB10/3000 لاختبار برينيل للفولاذ المعالج بالتخفيض، مما يدل على كرة بقطر 10 مم بوزن 3000 كجم).

تعد القياسات المتعددة في مواقع موحدة عبر العينة ضرورية لأخذ احتمالات التباين في البنية المعالجة بالتخفيض في الاعتبار.

معالجة البيانات

يتضمن التحليل المجهرية عادةً تقنيات القياس الكمي، بما في ذلك عد النقاط أو طرق الاعتراض لتحديد الكسور الطورية وأحجام الحبوب وفقًا لـ ASTM E112 أو ISO 643.

تشمل التحليلات الإحصائية لقياسات الصلابة عادةً حساب القيم المتوسطة والانحرافات المعيارية من عدة نقاط إدخال. يمكن أن يتم إجراء تحليل للقراءات الشاذة لتحديد واستبعاد القراءات الشاذة المحتملة.

غالبًا ما تتم مقارنة النتائج مقابل المعايير المرجعية أو حالات المعالجة الحرارية السابقة لتقييم فعالية عملية التخفيض.

نطاقات القيم النموذجية

تصنيف الفولاذ	نطاق القيمة النموذجية (الصلابة)	ظروف الاختبار	المعيار المرجعي
فولاذ منخفض الكربون (<0.25% C)	100-140 HB	درجة حرارة الغرفة، كرة 10 مم، 3000 كجم	ASTM A370
فولاذ متوسط الكربون (0.25-0.55% C)	140-190 HB	درجة حرارة الغرفة، كرة 10 مم، 3000 كجم	ASTM A370
فولاذ عالي الكربون (0.55-1.0% C)	170-220 HB	درجة حرارة الغرفة، كرة 10 مم، 3000 كجم	ASTM A370
فولاذ سبيكي (مثل 4140)	170-230 HB	درجة حرارة الغرفة، كرة 10 مم، 3000 كجم	ASTM A370

تؤدي التغييرات ضمن كل تصنيف عادةً إلى اختلافات في التركيب الكيميائي الدقيق، وسجل المعالجة السابقة، ومعايير التخفيض المحددة. بشكل عام، يؤدي احتواء الكربون المرتفع إلى ارتفاع قيم الصلابة حتى بعد التخفيض الكامل نظرًا لزيادة محتوى البيرليت.

تعمل هذه القيم كمعايير للتحكم في الجودة في عمليات التصنيع. تشير صلابة أعلى بكثير من هذه النطاقات إلى زمن تخفيض غير كافٍ، أو تبريد سريع جدًا، أو شذوذ تكويني منع تمامًا من التليين.<