التفريز في الفولاذ: الأسباب، الكشف، الوقاية في مراقبة الجودة

التعريف والمفهوم الأساسي

تحديد التجاويف هو عيب سطح يتميز بتشكل أنماط منتظمة تشبه الموجات أو الأخاديد على سطح منتجات الصلب، خاصة في الألواح أو الصفائح أو الشرائح الملفوفة أو المشكّلة. يظهر على شكل سلسلة من الودُيان الضحلة أو العميقة التي تكون موازيه أو متعامدة على اتجاه الدرفلة أو التشكيل، وغالباً ما تشبه سلسلة من التجعيدات أو التموجات.

هذا العيب هام في مراقبة جودة الصلب لأنه قد يضر بسلامة السطح، المظهر الجمالي، وأحيانًا الأداء الميكانيكي للصلب. يمكن أن يكون التجاويف مؤشرًا على مشاكل متعلقة بالتعدين أو المعالجة، مثل ظروف درفلة غير مناسبة، غير تجانس البنية الدقيقة، أو الإجهادات المتبقية.

في إطار ضمان جودة الصلب الأوسع، يُعتبر التجاويف عيباً سطحياً قد يؤثر على المعالجة اللاحقة، التصاق الطلاء، مقاومة التآكل، والأداء العام للمنتج. الكشف عن التجاويف والسيطرة عليها ضروري لضمان أن منتجات الصلب تلبي المعايير المحددة لجودة السطح، الدقة الأبعاد، والأداء الوظيفي.

الطبيعة الفيزيائية والأساس المعدني

التجلي الفيزيائي

على المستوى الكلي، يظهر التجاويف كسلسلة من الأخاديد أو الودُيان المتوازية أو المتقاطعة على سطح الصلب. يمكن تحديد هذه التموجات بوضوح أثناء فحص السطح أو بالعين المجردة، خاصة على المنتجات النهائية مثل الألواح أو الشرائح أو الصفائح.

عند التكبير، يتوافق التجاويف مع تشوه موضعي في السطح، أو تباينات في البنية الدقيقة، أو ندبات على السطح تتبع نمط الأخاديد. تحت العدسة المكبرة، قد تكشف الودُيان عن خصائص دقيقة للبنية مثل الحبيبات الممتدة، أشرطة التشوه، أو الإجهادات المتبقية المأخوذة بمحاذاة نمط التجاويف.

ميزات مميزة تشمل التكرارية، السعة، والطول الموجي للأخاديد، والتي قد تختلف اعتمادًا على شدة العيب وعمليه التصنيع. غالبًا ما تكون الودُيان ذات نمط ثابت، مما يدل على منشأ منهجي بدلاً من عشوائية عيوب السطح.

الآلية المعدنية

يتشكل التجاويف أساسًا نتيجة لآليات التشوه أثناء عمليات الدرفلة، التشكيل، أو التبريد. وينتج عن تدفق البلاستيك غير المنتظم، تباين البنية الدقيقة، أو الإجهادات المتبقية التي تتراكم خلال المعالجة.

خلال الدرفلة الساخنة أو الباردة، إذا كان التشوه غير متجانس – بسبب عدم توافق محاذاة البكرات، ضغط البكرات غير المتساوي، أو فروق درجات الحرارة – يمكن أن تتطور الودُيان على السطح. غالبًا ما تكون مرتبطة بخصائص البنية الدقيقة مثل الحبيبات الممتدة، التموجات، أو تراكم الإجهادات المحليّة.

الإجهادات المتبقية التي تتشكل خلال التبريد أو المعالجة الحرارية يمكن أن تساهم أيضًا في تموجات السطح. على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي معدلات التبريد التفريقية عبر سمك أو عرض لوح الصلب إلى التواء أو أنماط تجويف.

يوثر تركيب الصلب على قابليته للتشكل؛ فالصلب ذو الكربون العالي أو السبائك ذات البنى المعقدة قد يكون أكثر عرضة للتجاويف بسبب سلوكه التشكيلي. كما تلعب معايير المعالجة مثل نسبة التقليل، سرعة الدرفلة، والتزليق أدوارًا مهمة.

نظام التصنيف

عادة يُصنف التجاويف بناءً على مستوى الشدة استنادًا إلى العمق، الطول الموجي، ومدى انتشار الأخاديد:

• تجاويف خفيفة: أخاديد سطحية قليلة الأثر على مظهر السطح؛ عادة مقبولة ضمن التحملات المحددة.
• تجاويف معتدلة: أخاديد واضحة تؤثر على نعومة السطح وربما تؤثر على العمليات التالية أو التصاق الطلاء.
• تجاويف شديدة: أخاديد عميقة وبارزة تضعف بشكل كبير جودة السطح، وقد تسبب مشاكل وظيفية، وغالباً ما تتطلب إجراءات تصحيحية.

بعض المعايير، مثل ASTM A480 أو ISO 13765، تحدد أقصى عمق مسموح به للتجاويف وانتظام نمطها. يساعد التصنيف في اتخاذ القرارات بشأن قبول أو إعادة معالجة أو رفض منتجات الصلب.

في التطبيقات العملية، يوجه التصنيف المصنعين والفنيين في تقييم ما إذا كانت حالة السطح تلبي المواصفات المطلوبة للاستخدام المقصود.

طرق الكشف والقياس

التقنيات الأساسية للكشف

يبقى التفتيش البصري هو الأسلوب الأكثر وضوحًا للكشف المبدئي عن التجاويف، خاصة على الأسطح النهائية. يمكن للمفتشين المدربين تحديد تموجات السطح، الأخاديد، أو التموجات من خلال المشاهدة المباشرة أو بواسطة أدوات التكبير.

للقياس الأكثر دقة، يُستخدم قياس البروفيل السطحي. يُستخدم جهاز بروفيلر تماس يحرك أداة ذات طرف مسنن على طول سطح العينة، مسجلًا الانحرافات الرأسية لقياس سعة وطول موجة أنماط التجاويف.

تقدم الطرق البصرية غير التلامسية، مثل المسح الليزري أو التداخل الضوئي الأبيض، بيانات عالية الوضوح عن طوبوغرافيا السطح بدون اتصال مادي. تولد هذه التقنيات خرائط ثلاثية الأبعاد تفصيلية للسطح، مما يمكّن من تقييم دقيق لمعلمات التجاويف.

اختبارات الموجات فوق الصوتية أو التيارات الدوامية غالبًا أقل فعالية لعيوب السطح مثل التجاويف، لكنها يمكن أن تكون مفيدة إذا كان العيب مرتبطًا بخصائص البنية الدقيقة تحت السطح.

معايير وإجراءات الاختبار

تشمل المعايير ذات الصلة ASTM E376 (دليل قياسي لفحص السطح)، ASTM E1471 (قياس خشونة السطح)، و ISO 4287 (ملمس السطح). تحدد هذه المعايير إجراءات قياس خشونة الملمس والتموج.

تتضمن الإجراءات عادة:

• تحضير سطح العينة، والتأكد من نظافته وجفافه وخلوه من الملوثات.
• اختيار معدات وبارامترات القياس المناسبة، مثل طول القطع، طول العينة، وقوة طرف القياس.
• إجراء القياسات على عدة اتجاهات لالتقاط اتجاه النمط وتواتره.
• تسجيل بيانات ملف سطح العينة وتحليل معلمات مثل خشونة الوسط (Ra)، ارتفاع التموج (Wt)، وأقصى ارتفاع للملف (Rz).

المعلمات الحاسمة تشمل مقياس القياس، الدقة، ومعايرة المعدات، التي تؤثر على دقة وموثوقية النتائج.

متطلبات العينة

يجب أن تكون العينات ممثلة لسطح المنتج بأكمله، مع تجنب المناطق ذات التلف المحلى أو التلوث. يتضمن التحضير تنظيف السطح لإزالة الأوساخ والزيت والأكسدة التي قد تشتت القياسات.

بالنسبة للألواح أو الصفائح الصلبة، عادةً ما تُؤخذ قياسات في مواقع متعددة عبر السطح لمعرفة التفاوت. بالنسبة للشرائح المدلفنة، يجب أن تتماشى القياسات مع اتجاه الدرفلة لتقييم التأثيرات غير المتجانسة.

يتم تحديد حجم العينة ومواقع القياس وفقًا للمعايير لضمان الاتساق والمقارنة بين النتائج.

دقة القياس

تتوقف دقة القياس على معايرة المعدات، مهارة المشغل، والظروف البيئية. يجب أن تُعطي القياسات المتكررة نتائج متناسقة، مما يدل على استقرار النتائج.

تشمل مصادر الخطأ تآكل طرف القياس، سوء المحاذاة، تلوث السطح، أو الاهتزازات البيئية. لضمان جودة القياسات:

• مُعايرة منتظمة لمقاييس البروفيل والأجهزة البصرية.
• استخدام إجراءات موحدة لمعالجة العينات.
• إجراء القياسات في ظروف حرارة ورطوبة مسيطرة عليها.
• إجراء قراءات متعددة وأخذ المتوسط لتقليل التفاوت.

تضمن تطبيق بروتوكولات مراقبة الجودة قياسات موثوقة للكشف عن التجاويف وتحديد كميتها.

الكمية وتحليل البيانات

وحدات ومرات القياس

يتطلب التقييم الكمي للتجاويف معلمات مثل:

• الطول الموجي (λ): المسافة بين الودُيان المتعاقبة، وتقاس بالمليمتر (مم).
• السعة (A): ارتفاع الودُيان عموديًا، ويعبر عنه بالميكرومتر (μم).
• خشونة السطح (Ra): المتوسط الحسابي لانحرافات السطح، بالميكرومتر (μم).
• ارتفاع التموج (Wt): ارتفاع من القمة إلى الوادي للتموجات السطحية، بالميكرومتر (μم).

يتم معالجة بيانات الملف السطحي رياضيًا لاستخراج هذه المعلمات باستخدام برامج متخصصة. على سبيل المثال، يُحسب Ra كالتالي:

$$Ra = \frac{1}{L} \int_0^L |z(x)| dx $$

حيث يكون ( z(x) ) هو انحراف ارتفاع السطح على طول العينة ( L ).

عوامل التحويل عادةً غير ضرورية إلا عند المقارنة بين مقاييس مختلفة؛ تُستخدم الوحدات المعيارية لوضوح وموثوقية النتائج.

تفسير البيانات

يفترض أن يكون تفسير قياسات التجاويف بمقارنة المعلمات التي تم الحصول عليها مع العتبات القياسية أو مواصفات العميل. على سبيل المثال:

• عمق التجاويف (السعة) أقل من 10 μم قد يكون مقبولًا للتطبيقات العامة.
• طول الموجة الذي يتجاوز حدودًا معينة قد يشير إلى مشاكل عملية بحاجة إلى تصحيح.
• قيم خشونة السطح مرتبطة بارتباط التصاق الطلاء ومقاومة التآكل.

تم تحديد القيم العتبية بناءً على معايير المنتج، التطبيق المقصود، وأفضل الممارسات الصناعية. يمكن أن تؤدي التجاويف المفرطة إلى إجهاد السطح، بدئ التشققات، أو سوء النهاية السطحية، مما يؤثر على الأداء.

كما يتم الربط بين النتائج والتقييمات البصرية لتأكيد مدى خطورة العيب وتأثيره المحتمل على الوظيفة.

التحليل الإحصائي

يتضمن تحليل قياسات متعددة حساب المتوسط، والانحراف المعياري، وفاصل الثقة لتقييم التباين. يمكن لرسوم التحكم الإحصائي (SPC) مراقبة درجة التجاويف عبر دفعات الإنتاج.

يجب أن تتبع خطط العينة معايير كـ ISO 2859 أو MIL-STD-105، لضمان جمع بيانات تمثيلية. تساعد اختبارات الأهمية الإحصائية في تحديد ما إذا كانت التغيرات الملحوظة ناتجة عن تحولات في العملية أو تقلبات عشوائية.

يساعد تطبيق تحليل البيانات القوي في ضمان جودة ثابتة والإسهام في الكشف المبكر عن الانحرافات في العملية التي تساهم في التجاويف.

التأثير على خواص المادة والأداء

خاصية المتأثرة	درجة التأثير	خطر الفشل	عتبة حرجة
جودة التشطيب السطحي	متوسطة إلى عالية	زيادة خطر فشل الطلاء	Ra > 10 μم
مقاومة التآكل	متوسطة	ارتفاع احتمالية التآكل	تموج سطح Wt > 15 μم
الليلفة الميكانيكية	من منخفضة إلى معتدلة	أماكن قد تبدأ فيها التشققات	سعة التموج السطحي > 20 μم
المظهر الجمالي	عالية	رفض المنتج بصريًا	ودُيان مرئية > 50 μم عمق

يمكن أن يسبب التجاويف تدهورًا كبيرًا في التشطيب السطحي، مما يؤدي إلى مظهر جمالي ضعيف، وانخفاض التصاق الطلاء. تؤدي الأخاديد إلى تركيز الإجهاد، مما يزيد من خطر بدء التشققات تحت الأحمال الدورانية، مما يقوض عمر الخdurability صلايا------------>