الهيكل الميكروي للفولاذ الفيريت: التشكل، الخصائص والصفات

التعريف والمفهوم الأساسي

يفرِيتِيك يُشير إلى طور ميكروهيكلي في الفولاذ يتميز عادةً بتركيب بلوري مكعب مركزي الجسم (BCC) للحديد. يتم تثبيت هذا الطور بواسطة عناصر سبائكية ومعالجات حرارية محددة، مما يؤدي إلى ميكروهيكل يظهر خصائص مغناطيسية وسلوكيات ميكانيكية مميزة. على المستوى الذري، يتكون التركيب الميكروهيكلي الفريت من ترتيب شبكي حيث يكون كل ذرة حديد محاطة بثمانية جيران أقرب في تكوين مكعب، مكونًا نظام بلوري BCC.

في علم الفلزات، مصطلح "فيريتِيك" يدل على طور يكون إما برية كاملة أو يحتوي على حصة حجمية كبيرة من الفريت. وهو أساسي في تحديد خصائص الفولاذ، مثل الليونة، السلوك المغناطيسي، ومقاومة التآكل. فهم التركيب الميكروهيكلي الفريتي ضروري لتصميم أنواع الفولاذ ذات الخصائص المخصصة لتطبيقات تتراوح من مكونات هيكلية إلى أجزاء السيارات.

الطبيعة الفيزيائية والخصائص

الهيكل البلوري

التركيب الميكروهيكلي الفريت يعتمد على شبكة بلورية مكعب مركزي الجسم (BCC) للحديد. تحتوي هيكل BCC على معامل شبكي يقارب 2.86 أنغستروم في درجة حرارة الغرفة، على الرغم من أن هذا قد يختلف قليلاً اعتمادًا على العناصر السبائكية. في الحديد النقي، يستقر طور BCC تحت 912°C، ويعرف باسم α-الحديد أو الفريت.

الترتيب الذري في الفريت يتضمن ذرات حديد موضوعة عند زوايا مكعب مع ذرة واحدة في المركز، مما يخلق بنية ذات تماثل عالي. هذا الترتيب يؤدي إلى وجود مستويات وخطوط بلورية محددة، خاصة السطوح {110}، {112}، و{111}، التي تؤثر على أنظمة الانزلاق وسلوك التشوه.

من الناحية البلورية، غالبًا ما يظهر الفريت علاقة توجيه قوية مع الأوستنيت الأم (مكعب مركزي الوجه، FCC) أثناء التحول، وفقًا لعلاقات التوجيه Kurdjumov–Sachs أو Nishiyama–Wassermann. تحكم هذه العلاقات تكوين ونمو الفريت أثناء التبريد أو المعالجة الحرارية.

الميزات الشكلية

عادةً ما يظهر التركيب الميكروهيكلي الفريتي كحبيبات متعددة الأضلاع ذات حجم يتراوح بين عدة ميكرومترات وعشرات الميكرومترات، اعتمادًا على ظروف المعالجة. حجم الحبيبات هو عامل حاسم يؤثر على الخصائص الميكانيكية مثل القوة والصلابة.

في الصور المجهرية، يظهر الفريت كمناطق فاتحة أو داكنة اعتمادًا على تقنية التصوير المستخدمة (مثل الميكروسكوب البصري، SEM). تكون الحبيبات عادةً موحدة الشكل لكن يمكن أن تظهر بشكل مطول أو لوحات ممتدة في ظروف معالجة معينة، مثل التبريد المستمر أو التشوه.

كما يمكن أن يتكون الفريت كطبقات رقيقة أو شرائح على طول حدود الحبيبات أو داخل الميكروهيكل، خاصة في الفولاذ الذي يحتوي على عناصر سبائكية معينة أو سجلات حرارية خاصة. تؤثر هذه الأشكال على خصائص مثل الليونة ومقاومة التآكل.

الخصائص الفيزيائية

يتميز الفولاذ الفريتي بارتفاع النفاذية المغناطيسية بفضل هيكل BCC، الذي يتيح حركة جدران الحقول بسهولة. عادةً ما يكون الكثافة حوالي 7.85 غرام/سم³، مماثلة للحديد النقي، لكن يمكن أن تختلف قليلاً مع الإضافات السبائكية.

مقاومة التيار الكهربائي في الفولاذ الفريتي مرتفعة نسبيًا مقارنةً بالأطوار الأخرى، بسبب شبكة BCC ومحتوى الشوائب. التوصيل الحراري متوسط، مما يسهل انتقال الحرارة في التطبيقات الإنشائية.

بالنسبة للمغناطيسية، فإن الفولاذ الفريتي مغناطيسي حاليًا في درجة حرارة الغرفة، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات المغناطيسية مثل المحولات والمحركات. التشبع المغناطيسي أدنى من ذلك في الفولاذ الأوستنيتي، لكن النفاذية أعلى.

مقارنةً بميكروهيكليات أخرى مثل المارتينسيت أو البيرليت، يظهر الفريت صلابة وقوة أقل لكن ليونة وقابلية تشكيل أعلى. معامل المرونة لديه حوالي 210 جيجا باسكال، مماثل للأنواع الأخرى من الحديد.

آليات التكون وال kinetics

الأساس التجريدي

يتحكم في تكوين الفريت في الفولاذ استقرار الديناميكا الحرارية المحدد بواسطة درجة الحرارة، التركيب، وتوازن الأطوار. يوضح مخطط الطور Fe–C أن الفريت يكون هو الطور المستقر تحت درجة حرارة حرجة تقريبًا (~912°C للحديد النقي)، بينما فوق هذه الدرجة، يكون الأوستنيت (γ-الحديد) مستقرًا.

عناصر سبائكية مثل الكروم، الموليبدينوم، وفاناديوم تؤثر على استقرار الأطوار عن طريق تعديل حسابات الطاقة الحرة. على سبيل المثال، الكروم يثبت الفريت عند درجات حرارة أعلى، مما يؤدي إلى الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي.

الفرق في الطاقة الحرة بين الفريت والأطوار الأخرى يحدد قوة الدفع للتحول. تغير جيبس للطاقة الحرة (ΔG) لتكوين الفريت سلبي تحت الدرجة الحرجة، مما يعزز حدوث النواة والنمو.

ال kinetics للتشكل

يشتمل تبلور الفريت أثناء التبريد على تجاوز حاجز طاقة مرتبط بخلق حدود حبيبات جديدة. معدل التكون يتأثر بدرجة الحرارة، مقدار التبريد، وتواجد مواقع النواة مثل الشوائب أو حدود الحبيبات.

نمو حبيبات الفريت يتم عبر الانتشار الذري للعناصر السبائكية وذرات الحديد. معدل النمو يتحكم فيه kinetics الانتشار، الذي يعتمد على درجة الحرارة، ويواصل السلوك على شكل إرينوي:

$$G = G_0 \exp \left( - \frac{Q}{RT} \right) $$

حيثُ G هو معدل النمو، و G₀ هو عامل سابق الأُس، و Q هو طاقة التنشيط، R ثابت الغاز، و T درجة الحرارة بالكيندل.

يمكن وصف kinetics التحول بشكل عام بواسطة معادلة جونسن-ميهل-آفرامي التي تربط النسبة المتحولة بالزمن ودرجة الحرارة:

$$X(t) = 1 - \exp \left( -k t^n \right) $$

حيثُ (X(t)) هو الجزء المتحول، و (k) هو ثابت معدل، و (n) هو أس آفرامي المرتبط بآليات النواة والنمو.

العوامل المؤثرة

يتأثر تكوين الفريت بمكونات السبيكة، خاصة محتوى الكربون ووجود عناصر تثبيت مثل Cr، Mo، وNb. الفولاذات منخفضة الكربون (أقل من 0.02٪ وزنياً) تفضل تكوين ميكروهيكل كامل من الفريت.

معاملات المعالجة مثل معدل التبريد تؤثر بشكل كبير على تكوين الفريت. التبريد البطيء يعزز تشكيل الفريت التوافقي، بينما التبريد السريع يمكن أن يثبطه، مما ينتج عنه تركيب مارتينسيت أو بينيتي.

التركيبات الميكروهيكلية السابقة، مثل حجم حبيبات الأوستنيت، تؤثر على مواقع النواة ومسارات التحول. الحبيبات الدقيقة من الأوستنيت تميل إلى إنتاج حبيبات فريت أدق، مما يعزز القوة.

نماذج رياضية وعلاقات كمية

معادلات رئيسية

يمكن نمذجة تحول الطور من الأوستنيت إلى الفريت باستخدام نظرية النواة التقليدية، حيث يُعبر عن معدل التبلور $I$ كما يلي:

$$I = I_0 \exp \left( - \frac{\Delta G^*}{k_B T} \right) $$

حيثُ $I_0$ هو عامل سابق مرتبط بتردد تذبذب الذرات، و ($\Delta G^*$) هو حاجز الطاقة الحرة الحرجي للتبلور، و $k_B$ هو ثابت بولتزمان، و T درجة الحرارة.

يعتمد الحاجز الحرجي ($\Delta G^*$) على طاقة الواجهة ($\sigma$)، تغير الطاقة الحرة الحجمية ($\Delta G_v$)، ونصف قطر النواة (r):

$$\Delta G^* = \frac{16 \pi \sigma^3}{3 (\Delta G_v)^2} $$

معدل النمو (G) لحبيبات الفريت غالبًا يُنمذج بواسطة kinetics المستند إلى الانتشار:

$$G = D \frac{\Delta C}{l} $$

حيث D هو معامل الانتشار، و ($\Delta C$) تدرج التركيز، و l هو طول الانتشار.

نماذج تنبئية

الأدوات الحاسوبية مثل نمذجة المجال الطوري تحاكي تطور الميكروهيكل خلال التبريد، معتمدة على البيانات الديناميكية الحرارية ومعايير kinetics. تتنبأ هذه النماذج بحجم الحبيبات، الشكل، وتوزيع الأطوار مع مرور الوقت.

طرق CALPHAD (حساب خرائط الأطوار) تدمج قواعد بيانات الديناميكا الحرارية لتوقع استقرار الأطوار ودرجة حرارة التحول، مما يساعد في تصميم السبائك.

القيود تتعلق بافتراضات التوازن أو شبه التوازن، التي قد لا تلتقط بالكامل التحولات السريعة أو الميكروهيكليات غير المنتظمة. يعتم...