EH40 مقابل FH40 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يعتبر EH40 و FH40 من درجات الفولاذ الهيكلي عالية المتانة التي تُستخدم بشكل شائع في الصناعات البحرية، والمنشآت البحرية الخارجية، وصناعة الألواح الثقيلة. يواجه المهندسون، ومديرو المشتريات، ومخططو التصنيع عادةً معضلة في الاختيار بين الاثنين: أي درجة توفر المتانة المطلوبة عبر سمك اللوح وقابلية اللحام للألواح السميكة جدًا، وأيها يقدم أفضل توازن بين القوة والتكلفة لسماكات الألواح القياسية والهياكل الملحومة. تشمل سياقات القرار النموذجية تغطية هيكل السفن وأسقفها، والمنصات البحرية، والتصنيع الثقيل حيث تكون متانة مقاومة التشقق حرجة، والهياكل الملحومة الكبيرة التي تتحكم فيها دورات الحرارة وخصائص ما بعد اللحام في الأداء.

التفريق العملي الرئيسي بينهما هو تحسين كل منهما لأداء السمك وأداء القابلية عبر السمك: عادةً ما تُحدد درجة واحدة لتطبيقات الألواح الثقيلة التقليدية حيث يوفر المعالجة الحرارية الميكانيكية القياسية القوة والمتانة المطلوبة، بينما تُصمم الأخرى لألواح ذات سماكات عالية جدًا وتحسين خواص عبر السمك باستخدام استراتيجيات سباكة ومعالجة مختلفة. ولهذا السبب يقارن المصممون غالبًا بين EH40 وFH40 عند تحديد الألواح السميكة جدًا أو عند طلب متانة موحدة استثنائية عبر سمك اللوح.

1. المعايير والتصنيفات

كلا من EH40 و FH40 هما فولاذ هيكلي منخفض السبائك عالي المتانة (HSLA) يُستخدم في بناء السفن والمنشآت البحرية الخارجية. ليستا طريقة اختبار دولية وحيدة مثل رقم ASTM، بل تظهر كعائلات درجات معتمدة أو مشار إليها من قبل جمعيات التصنيف والمعايير الوطنية. تتضمن المعايير والتصنيفات النموذجية ما يلي:

• المعايير الوطنية والإقليمية: GB (الصين)، JIS (اليابان)، EN (أوروبا)، ISO.
• جمعيات التصنيف: ABS، DNV-GL، Lloyd’s Register — تشمل هذه الجمعيات تصنيفات للفولاذ الهيكلي وهيكل السفينة تتوافق مع عائلات EH/FH.
• معايير المواد العامة: توفر ASTM/ASME متطلبات الخصائص الميكانيكية وإجراءات الاختبار التي يمكن استخدامها مع تصنيف الدرجة.

تعريف نوع المادة: - EH40: فولاذ هيكلي منخفض السبائك عالي المتانة (فولاذ كربوني منخفض السبائك مع سباكة دقيقة وتحكم حراري ميكانيكي). - FH40: فولاذ هيكلي منخفض السبائك عالي المتانة، عادةً ما يُحسن للألواح السميكة جدًا مع متانة محسنة عبر السمك وتعديلات سباكة ومعالجة محددة.

ملاحظة: تختلف المتطلبات الكيميائية والميكانيكية الدقيقة بين المعايير وشهادات المصنع؛ يرجى دائمًا الرجوع إلى مواصفة العقد أو تصنيف جمعية التصنيف للمشتريات.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

يوضح الجدول أدناه النطاقات التمثيلية للتركيب الكيميائي التي تُواجه عادةً في درجات EH40 و FH40 من فولاذ HSLA. هذه النطاقات تمثل القيم المستخدمة في مصانع التصنيع والموجودة في وثائق التصنيف؛ يجب أخذ الكيمياء المعتمدة الفعلية من شهادة المصنع للدفعة الموردة.

العنصر	EH40 (النطاق النموذجي، بالوزن%)	FH40 (النطاق النموذجي، بالوزن%)
C	0.08 – 0.16	0.06 – 0.14
Mn	0.6 – 1.5	0.6 – 1.8
Si	0.02 – 0.50	0.02 – 0.50
P (الحد الأقصى)	≤ 0.03 – 0.04	≤ 0.03 – 0.04
S (الحد الأقصى)	≤ 0.010 – 0.025	≤ 0.010 – 0.025
Cr	شظايا – 0.4	شظايا – 0.6
Ni	شظايا – 0.6	شظايا – 0.8
Mo	شظايا – 0.05	شظايا – 0.08
V	0.00 – 0.08	0.00 – 0.10
Nb (Nb/Ta)	≤ 0.05	≤ 0.06
Ti	شظايا	شظايا
B	شظايا (ppm)	شظايا (ppm)
N	مستويات محكومة (ppm)	مستويات محكومة (ppm)

ملاحظات تفسيرية: - هذه الدرجات هي فولاذ HSLA حيث تأتي القوة من مزيج من الكربون والمنغنيز وعناصر السبائك الدقيقة (V، Nb، Ti) بالإضافة إلى المعالجة (التحكم الحراري الميكانيكي). - قد تظهر تركيبة FH40 كربونًا أقل قليلاً وإضافات سبائكية دقيقة أعلى لتعزيز ترسيب كربيدات/نتريدات دقيقة وتحسين المتانة عبر سمك اللوح في الأقسام السميكة جدًا. - تزيد السبائك من قابلية التقسية والقوة (Mn، Cr، Mo) لكنها ترفع أيضًا خطر الشقق الباردة في اللحامات؛ تتيح السبائك الدقيقة (Nb، V، Ti) تحقيق قوة عالية مع كربون أقل عبر تقوية الترسيب وتنقية الحبيبات.

3. التركيب المجهري واستجابة المعالجة الحرارية

تعتمد التركيبات المجهريّة النموذجية لدرجات EH40 و FH40 على المعالجة بشكل قوي:

• EH40 (ألواح ثقيلة قياسية، معالجة حرارية ميكانيكية تحكمية TMCP أو معالجة تعيير):
• التركيب النموذجي: فيريت بحبيبات دقيقة وبيرلايت أو فيريت مع بيسايت متفرق حسب معدل التبريد والسباكة.
• تنتج المعالجة الحرارية الميكانيكية التحكمية (TMCP) بنية أساسية من الفيريت المكرّر مع كميات محكومة من البايسايت الأدنى أو بيرلايت متحلل لزيادة مقاومة الخضوع والمتانة الجيدة.

• يمكن استخدام التعير لتجانس البنية في الألواح السميكة؛ التبريد والتلطيف ليس شائعًا للألواح الهيكلية الكبيرة بسبب التشوه والتكلفة.

• FH40 (محسّن للألواح السميكة جدًا):

• تُركز على خواص عبر السمك: تحكم أكثر صرامة بتبريد وترسيبات السبائك الدقيقة، غالبًا مع كربون أقل وسبائك دقيقة أكثر للحفاظ على المتانة عبر مركز الألواح السميكة جدًا.
• يتم هندسة التركيب المجهري لتقليل التراص ودعم تكون الفيريت الإبرية أو الفيريت متعدد الأضلاع الناعم مع توزيع الكربيدات والنتريدات.
• تُستخدم جداول التدحرج الحراري الميكانيكي، التبريد المعجل، وإعادة التسخين المحكومة لتحقيق ترسيب حبيبات موحد عبر السمك.

استجابة المعالجة الحرارية: - تحسن عملية التعير من التجانس والمتانة لكن قد تكون غير عملية للسماكات القصوى. - التدحرج المحكوم والتبريد المعجل هما الطريق الصناعي للحصول على المزيج المطلوب من القوة والليونة دون الحاجة إلى تقسية كاملة بالتبريد والتلطيف. - قد تتطلب FH40 تحكمًا أكثر صرامة في العملية واختبارات لا تدمّر إضافية للألواح السميكة جدًا لضمان المتانة عبر السمك.

4. الخواص الميكانيكية

فيما يلي نطاقات الخصائص الميكانيكية النموذجية التي تُحدد عادةً للصفائح من نوع EH40 و FH40 من فولاذ HSLA. تختلف القيم حسب السماكة، والمعالجة، وحدود المواصفات — يُرجى الرجوع إلى متطلبات العقد.

الخاصية	EH40 (نمطي)	FH40 (نمطي)
قوة الشد (MPa)	490 – 650	480 – 640
قوة الخضوع (MPa)	355 – 485	320 – 460
الاستطالة (%) على 50 مم أو حسب المواصفة	18 – 26	18 – 26
مقاومة الصدمات شاربي (J)	محددة عند درجات حرارة منخفضة؛ نموذجي 27 J عند −20 °C إلى −40 °C	متطلبات أشد عبر السمك؛ 27 J عند درجات حرارة أقل و/أو اختبار سماكة أعلى
الصلادة (HB)	160 – 250	150 – 240

التفسير: - يتداخل EH40 و FH40 في نطاقات القوة الاسمية؛ غالبًا ما يُحدد EH40 لأهداف قوة خضوع أعلى قليلاً في السماكات القياسية. - يُصمم FH40 عادةً لتشديد المتانة عبر السمك بدلاً من قوة خضوع أقل قليلاً — مما يعني قوة خضوع اسمية أقل قليلاً ولكن قدرة تحمل تشقق وفُرْط في المتانة أفضل في الألواح السميكة. - الليونة (الاستطالة) متقاربة عندما يُنتج كل نوع وفق مواصفاته؛ أداء المتانة، خاصة عبر السمك وعند درجات الحرارة المنخفضة، هو الفارق المميز.

5. قابلية اللحام

يتم تحديد قابلية اللحام لهذه الفولاذات HSLA بواسطة محتوى الكربون والمعادل الكربوني ومحتوى السبائك الدقيقة. تشمل مؤشرات قابلية اللحام الشائعة المستخدمة لتقييم القابلية للانكسار البارد المعزز بالهيدروجين ما يلي:

• المكافئ الكربوني (صيغة IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - انخفاض محتوى الكربون والسيطرة على المنغنيز يعززان قابلية اللحام؛ تزيد عناصر السبك الدقيقة (Nb, V, Ti) من صلابة التصلب، مما قد يزيد من خطر تكون مناطق صلبة في منطقة التأثير الحراري (HAZ) وحدوث التشقق البارد إذا لم يتم التحكم في الهيدروجين والتقييد. - تُختار التركيبات الكيميائية من نوع FH40 (ذات الكربون الأقل والمزيد من السبائك الدقيقة) غالبًا لتحقيق توازن بين صلابة التصلب والمتانة؛ يجب معالجة التسخين المسبق، ودرجة حرارة التمرير بين اللحامات، وإجراءات منخفضة الهيدروجين، واعتبارات المعالجة الحرارية بعد اللحام حسب سماكة اللوح والمواصفة. - للصفائح ذات السماكات الكبيرة جدًا، يصبح التحكم في مدخلات الحرارة، والتسخين المسبق، ومعدل تبريد منطقة التأثير الحراري (HAZ) أمرًا حاسماً؛ تؤدي مطالب تأهيل إجراءات اللحام (WPS/PQR) والسيطرة على الهيدروجين إلى زيادة صعوبتها.

6. مقاومة التآكل والحماية السطحية

• كلا من EH40 وFH40 هما فولاذا سبائكيان منخفضا الكروم وغير مقاومين للصدأ، ويتطلبان حماية سطحية في البيئات المسببة للتآكل (مثل مياه البحر البحرية والتعرض الجوي).
• طرق الحماية الشائعة: التغطية بالزنك بالغمس الساخن (عندما تكون مناسبة)، أنظمة الإبوكسي متعددة الطبقات، الطبقات العلوية من البولي يوريثان، التغطية المعدنية بالتبخير الحراري (thermal spray)، والأقطاب السلبية للتطبيقات الغاطسة.
• مؤشرات مقاومة الصدأ (مثلاً PREN) غير صالحة لتصنيف هذه الفولاذات الكربونية/السبائكية: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ هذه الصيغة ذات معنى فقط للفولاذ المقاوم للصدأ الذي يحتوي على نسب عالية من Cr و Mo و N؛ أما في EH40/FH40 فإن مستويي Cr و Mo منخفضان جدًا لتطبيق تصنيف PREN لمقاومة التآكل.
• يجب أن تأخذ عملية اختيار الطلاءات والحماية الكاثودية في الاعتبار عمر التصميم، سهولة الوصول للصيانة، والبيئة المقصودة (منطقة الرش، الغمر، التعرض الجوي).

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: كلا الدرجتين تمتازان بقابلية تشغيل متوسطة؛ التنوعات ذات الكربون الأقل (كالتي في FH40) تكون أسهل قليلًا في التشغيل. يُنصح باستخدام أدوات كربيد أو مغلفة مع تغذية وسرعات مناسبة للقطع في القطاعات الثقيلة.
• قابلية التشكيل/الثني: EH40 ذات مقاومة الخضوع الأعلى قد تقلل من إجهاد التشكيل المسموح به مقارنة بـ FH40 الأقل كربونًا. عملية الثني البارد للألواح السميكة محدودة وغالبًا ما تتطلب التسخين أو الثني بالدرفلة؛ يجب التحقق من حدود التشكيل بواسطة اختبارات الثني وفقًا للمواصفة.
• القطع والقطع الحراري: القطع بالبلازما والقطع بالاوكسي-وقود هما الطريقتان القياسيتان للصفائح السميكة. يقلل التسخين المسبق والتنظيف المنضبط بعد القطع من الإجهادات المتبقية والخواص المجهرية لمنطقة التأثير الحراري.
• يجب التحكم بعناية في تجهيز السطح للّحام والطلاءات على الصفائح السميكة جدًا لتجنب مشاكل مثل التقشر أو العيوب عند خط المنتصف التي قد تصبح نقاط ضعف تؤدي للفشل.

8. التطبيقات النموذجية

EH40 (الاستخدامات الشائعة)	FH40 (الاستخدامات الشائعة)
تبطين هياكل وسطح السفن حيث تكون مقاومة الخضوع الاسمية العالية مرغوبة للصفائح الثقيلة القياسية	صفائح هياكل أو أسطح سميكة جدًا حيث تكون متانة العبور عبر السمك حاسمة (مثل القطاعات المصنفة لظروف الجليد، صفائح قواعد منصات بحرية كبيرة)
عناصر هيكلية (عرائش، حوامل) في التصنيع الثقيل	هياكل ملحومة ذات أقسام عميقة وصفائح انتقالية سميكة تتطلب تقليل تكسر خط المنتصف
مكونات غير مضغوطة تحت ضغط حيث يكون التوازن بين القوة والتكلفة مهمًا	وصلات ملحومة حرجة بسماكات كبيرة حيث يلزم تأكيد إيقاف التشقق ومتانة المقاومة عبر السمك

مبررات الاختيار: - EH40: تُختار لقوتها العالية في نطاقات السماكة الإنتاجية القياسية حيث يوفر TMCP التقليدي الخصائص المطلوبة. - FH40: تُختار عندما تتجاوز سماكة اللوح نطاق TMCP العادي أو عندما تكون متطلبات المتانة الشديدة عبر السمك موجودة؛ يتم تحسين المعالجة والتركيب الكيميائي للحفاظ على الخواص في أعماق اللوح.

9. التكلفة والتوفر

• التكلفة: كلا الدرجتين تقعان عمومًا في فئة أسعار الفولاذ عالي القوة منخفض السبيكة (HSLA)؛ قد تحظى FH40 بعلاوة سعرية بسبب الرقابة الصارمة على العمليات، الاختبارات الأكثر تشددًا، وجداول الدرفلة الخاصة للصفائح السميكة جدًا.
• التوفر: الصفائح من نوع EH40 متوفرة من العديد من المصانع ضمن سماكات معيارية. قد تتوفر صفائح FH40 ولكنها قد تتطلب طلبات خاصة، فترات انتظار أطول، وشهادات اختبار متانة عبر السماكة للأقسام السميكة جدًا.
• أشكال المنتجات: صفائح، مقطعة حسب المقاس، وتجميعات جاهزة. قد تُنتج الصفائح السميكة جدًا من FH40 بواسطة عدد أقل من المصانع، لذا يجب مناقشة أوقات التسليم والكميات الدنيا للطلب في مرحلة مبكرة من الشراء.

10. الملخص والتوصية

الخاصية	EH40	FH40
قابلية اللحام	جيدة مع ضوابط قياسية؛ مراقبة صلابة منطقة التأثير الحراري	جيدة ولكن تتطلب إجراءات لحام أكثر صرامة للصفائح السميكة جدًا
توازن القوة والمتانة	قوة اسمية عالية للسماكات القياسية	متانة محسّنة عبر السماكة في الصفائح السميكة جدًا
التكلفة	أدنى عادة للإنتاج القياسي	قد تتطلب علاوة لسير العمليات والاختبارات الخاصة

التوصيات: - اختر EH40 إذا كنت بحاجة إلى صفيحة فولاذ عالية القوة HSLA بأبعاد سماكة الألواح الثقيلة التقليدية حيث يوفر TMCP القياسي أو المعالجة الحرارية الطبيعية متانة كافية عبر السماكة، وتفضل توازن القوة مقابل التكلفة للتطبيقات الإنشائية الشائعة. - اختر FH40 إذا كنت تحدد صفائح ذات سماكة كبيرة جدًا (سماكة قصوى) أو إذا كان التصميم يتطلب متانة مؤكدة عبر السماكة ومقاومة منخفضة لتكسر خط المنتصف؛ تساعد التركيبة الكيميائية ومعالجة FH40 على الحفاظ على الخواص بشكل متجانس عبر المقاطع الكبيرة، رغم أنها قد تصاحبها تكلفة شراء ومعالجة أعلى.

ملاحظة نهائية: لأي تطبيق حرج، حدد في العقد المعايير الميكانيكية والمتانة المعتمدة على السماكة، تأهيل إجراءات اللحام، وفحوصات عدم التدمير المطلوبة. تأكد من شهادات المصنع وقم بإجراء اختبارات مستقلة عند الحاجة لضمان تطابق الدرجة المختارة مع متطلبات المشروع الخاصة بمقاومة التآكل والأداء في اللحام عبر السماكة.